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I write type-safe generic data structures in C

原文链接 | HN讨论 | 2025-07-02 00:03:03

文章摘要

文章介绍了一种在C语言中实现类型安全通用数据结构的方法，通过使用联合体（union）将类型信息与通用数据结构关联。作者以链表为例，展示了如何通过宏和类型定义实现通用性，并避免了类型不匹配的编译错误。文章还提到了一种基于宏的通用头文件方法，但作者更倾向于使用联合体技术来实现类型安全。

文章总结

文章主要介绍了作者在C语言中实现类型安全的泛型数据结构的一种独特方法，特别是通过联合体（union）将类型信息与泛型数据结构关联起来。文章详细描述了从基础到高级的几种实现泛型数据结构的技术，并逐步展示了如何实现一个基本的链表结构。

关键点和重要信息：

  1. 泛型基础（Generics level 0: Generic Headers）：

    • 使用宏定义和多次包含头文件的方式实现泛型数据结构。
    • 这种方法虽然类型安全，但存在代码难以追踪、代码补全不友好、二进制文件膨胀和构建时间增加等问题。

  2. 使用void *实现泛型（Generics level 1: void *）：

    • 通过void *指针实现泛型，但不具备类型安全性。
    • 每个节点需要两次内存分配，可能导致性能问题。

  3. 内联存储（Generics level 2: Inline storage）：

    • 使用灵活数组成员（Flexible Array Member）将数据直接存储在节点内部，减少内存分配次数。
    • 需要手动传递数据大小，增加了使用复杂度。

  4. 类型检查（Generics level 3: Type Checking）：

    • 通过联合体和三元运算符实现编译时的类型检查，确保添加的数据类型与链表类型一致。
    • 使用__typeof__()进行类型推断，支持所有主流C编译器。
    • 这种方法既保证了类型安全，又避免了运行时开销。

  5. 类型安全返回：

    • 通过__typeof__()实现类型安全的返回值，确保返回的数据类型与链表类型一致。

  6. 参数传递问题：

    • 在2025年之前的C编译器中，即使两个变量类型定义完全相同，编译器仍可能报错。
    • 使用typedef可以避免这个问题。

  7. 应用范围：

    • 这种方法适用于任何类型的数据结构，包括具有多个关联类型的结构（如哈希表）。

  8. 代码示例：

    • 文章提供了多个代码示例，展示了如何实现链表的前置插入、类型检查等功能。

  9. 结论：

    • 作者的方法提供了一种类型安全且高效的泛型数据结构实现方式，适用于各种复杂的数据结构。

总结：

文章详细介绍了在C语言中实现类型安全泛型数据结构的技术，特别是通过联合体和宏定义实现编译时类型检查的方法。这种方法不仅提高了代码的类型安全性，还优化了内存使用和性能。作者还讨论了在不同C编译器中的兼容性问题，并提供了解决方案。

评论总结

主要观点总结：

  1. 对技巧的认可与使用

    • uecker 表示已经在实验库中使用类似技巧，并提供了代码链接。
      • "It is cool trick. I already use in my experimental library though ;-)"
      • “这是个很酷的技巧，我已经在我的实验库中使用了。”
    • asplake 表示正在开发类似的项目，未来会测试兼容性。
      • "I’m working on toy/educational generator of ML-style tagged variants and associated functions in C."
      • “我正在开发一个用于教育的ML风格标签变体和相关函数的生成器。”

  2. 类型安全与C23标准的讨论

    • HexDecOctBin 提到使用函数指针类型来增强类型安全，并指出C23标准解决了类型一致性问题。
      • "The key idea here seems to be to use function pointer's type to enforce type safety."
      • “关键思想是使用函数指针类型来增强类型安全。”
    • layer8 指出函数类型转换可能导致未定义行为，影响编译器别名分析。
      • "Calling the function with the converted type therefore constitutes undefined behavior."
      • “使用转换后的类型调用函数会导致未定义行为。”

  3. 宏与联合体的替代方案

    • eqvinox 提到使用宏定义包装器来处理侵入式数据结构，认为联合体和typeof可能不适用。
      • "We (I) went with large macros defining wrappers instead."
      • “我们（我）选择使用宏定义包装器。”
    • JacksonAllan 认为联合体方案与宏定义结构体方案相比没有明显优势，且两者都需要提前定义类型。
      • "The union approach has the same drawback as the struct approach."
      • “联合体方案与结构体方案有相同的缺点。”

  4. C语言的局限性与其他语言的对比

    • cherryteastain 和 germandiago 认为如果需要在C中实现泛型，不如直接使用C++模板。
      • "Why would you jump through all these hoops instead of just writing C++."
      • “为什么要绕这么多弯子而不直接写C++呢？”
    • WalterBright 提到在D语言中实现泛型更为简单，批评C预处理器的不便。
      • "Using preprocessor macros is like using a hammer for finish carpentry."
      • “使用预处理器宏就像用锤子做精细木工。”

  5. 其他替代方案与优化建议

    • monkeyelite 建议根据具体需求定制数据结构，而不是追求泛型。
      • "Another way is to not try to write generic data structures."
      • “另一种方法是不要尝试编写泛型数据结构。”
    • ryao 指出uint64_t data[]违反了严格别名规则，建议使用char类型。
      • "Use the char type instead to avoid the violation."
      • “使用char类型以避免违反规则。”

总结：

评论中既有对技巧的认可，也有对其局限性的批评。许多评论者认为C语言在实现泛型时存在诸多不便，建议直接使用C++或其他支持泛型的语言。同时，评论中也提出了多种替代方案和优化建议，如使用宏、联合体、定制数据结构等。