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Go语言封装qsort快速排序函数

qsort 快速排序函数是 C语言的高阶函数,支持用于自定义排序比较函数,可以对任意类型的数组进行排序。本节我们尝试基于 C语言的 qsort 函数封装一个 Go语言版本的 qsort 函数。

认识 qsort 函数

qsort 快速排序函数有 <stdlib.h> 标准库提供,函数的声明如下:

void qsort(
    void* base, size_t num, size_t size,
    int (*cmp)(const void*, const void*)
);

其中 base 参数是要排序数组的首个元素的地址,num 是数组中元素的个数,size 是数组中每个元素的大小。最关键是 cmp 比较函数,用于对数组中任意两个元素进行排序。

cmp 排序函数的两个指针参数分别是要比较的两个元素的地址,如果第一个参数对应元素大于第二个参数对应的元素将返回结果大于 0,如果两个元素相等则返回 0,如果第一个元素小于第二个元素则返回结果小于 0。

下面的代码是用 C语言的 qsort 对一个 int 类型的数组进行排序:
#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>

#define DIM(x) (sizeof(x)/sizeof((x)[0]))

static int cmp(const void* a, const void* b) {
    const int* pa = (int*)a;
    const int* pb = (int*)b;
    return *pa - *pb;
}

int main() {
    int values[] = { 42, 8, 109, 97, 23, 25 };
    int i;
    qsort(values, DIM(values), sizeof(values[0]), cmp);
    for(i = 0; i < DIM(values); i++) {
        printf ("%d ",values[i]);
    }
    return 0;
}
其中 DIM(values) 宏用于计算数组元素的个数, sizeof(values[0]) 用于计算数组元素的大小。cmp 是用于排序时比较两个元素大小的回调函数。为了避免对全局名字空间的污染,我们将 cmp 回调函数定义为仅当前文件内可访问的静态函数。

将 qsort 函数从 Go 包导出

为了方便 Go语言的非 CGO 用户使用 qsort 函数,我们需要将 C语言的 qsort 函数包装为一个外部可以访问的 Go函数。

用 Go语言将 qsort 函数重新包装为 qsort.Sort 函数:
package qsort

//typedef int (*qsort_cmp_func_t)(const void* a, const void* b);
import "C"
import "unsafe"

func Sort(
    base unsafe.Pointer, num, size C.size_t,
    cmp C.qsort_cmp_func_t,
) {
    C.qsort(base, num, size, cmp)
}
因为 Go语言的 CGO 语言不好直接表达 C语言的函数类型,因此在 C语言空间将比较函数类型重新定义为一个 qsort_cmp_func_t 类型。

虽然 Sort 函数已经导出了,但是对于 qsort 包之外的用户依然不能直接使用该函数——Sort 函数的参数还包含了虚拟的 C 包提供的类型。 在虚拟的 C 包下的任何名称其实都会被映射为包内的私有名字。比如 C.size_t 会被展开为 _Ctype_size_t,C.qsort_cmp_func_t 类型会被展开为 _Ctype_qsort_cmp_func_t 。

被 CGO 处理后的 Sort 函数的类型如下:

func Sort(
    base unsafe.Pointer, num, size _Ctype_size_t,
    cmp _Ctype_qsort_cmp_func_t,
)

这样将会导致包外部用于无法构造 _Ctype_size_t 和 _Ctype_qsort_cmp_func_t 类型的参数而无法使用 Sort 函数。因此,导出的 Sort 函数的参数和返回值要避免对虚拟 C 包的依赖。

重新调整 Sort 函数的参数类型和实现如下:
/*
#include <stdlib.h>

typedef int (*qsort_cmp_func_t)(const void* a, const void* b);
*/
import "C"
import "unsafe"

type CompareFunc C.qsort_cmp_func_t

func Sort(base unsafe.Pointer, num, size int, cmp CompareFunc) {
    C.qsort(base, C.size_t(num), C.size_t(size), C.qsort_cmp_func_t(cmp))
}
我们将虚拟 C 包中的类型通过 Go语言类型代替,在内部调用 C 函数时重新转型为 C 函数需要的类型。因此外部用户将不再依赖 qsort 包内的虚拟 C 包。

以下代码展示了 Sort 函数的使用方式:
package main

//extern int go_qsort_compare(void* a, void* b);
import "C"

import (
    "fmt"
    "unsafe"
    qsort "."
)
//export go_qsort_compare
func go_qsort_compare(a, b unsafe.Pointer) C.int {
    pa, pb := (*C.int)(a), (*C.int)(b)
    return C.int(*pa - *pb)
}
func main() {
    values := []int32{42, 9, 101, 95, 27, 25}
    qsort.Sort(unsafe.Pointer(&values[0]),
        len(values), int(unsafe.Sizeof(values[0])),
        qsort.CompareFunc(C.go_qsort_compare),
    )
    fmt.Println(values)
}
为了使用 Sort 函数,我们需要将 Go语言的切片取首地址、元素个数、元素大小等信息作为调用参数,同时还需要提供一个 C语言规格的比较函数。其中 go_qsort_compare 是用 Go语言实现的,并导出到 C语言空间的函数,用于 qsort 排序时的比较函数。

目前已经实现了对 C语言的 qsort 初步包装,并且可以通过包的方式被其它用户使用。但是 qsort.Sort 函数已经有很多不便使用之处:用户要提供 C语言的比较函数,这对许多 Go语言用户是一个挑战。

下一步我们将继续改进 qsort 函数的包装函数,尝试通过闭包函数代替 C语言的比较函数。消除用户对 CGO 代码的直接依赖。

改进:闭包函数作为比较函数

在改进之前我们先回顾下 Go语言 sort 包自带的排序函数的接口:

func Slice(slice interface{}, less func(i, j int) bool)

标准库的 sort.Slice 因为支持通过闭包函数指定比较函数,对切片的排序非常简单:
import "sort"

func main() {
    values := []int32{42, 9, 101, 95, 27, 25}
    sort.Slice(values, func(i, j int) bool {
        return values[i] < values[j]
    })
    fmt.Println(values)
}
我们也尝试将 C语言的 qsort 函数包装为以下格式的 Go语言函数:

package qsort
func Sort(base unsafe.Pointer, num, size int, cmp func(a, b unsafe.Pointer) int)

闭包函数无法导出为 C语言函数,因此无法直接将闭包函数传入 C语言的 qsort 函数。为此我们可以用 Go 构造一个可以导出为 C语言的代理函数,然后通过一个全局变量临时保存当前的闭包比较函数。

代码如下所示:
var go_qsort_compare_info struct {
    fn func(a, b unsafe.Pointer) int
    sync.Mutex
}
//export _cgo_qsort_compare
func _cgo_qsort_compare(a, b unsafe.Pointer) C.int {
    return C.int(go_qsort_compare_info.fn(a, b))
}
其中导出的 C语言函数 _cgo_qsort_compare 是公用的 qsort 比较函数,内部通过 go_qsort_compare_info.fn 来调用当前的闭包比较函数。

新的 Sort 包装函数实现如下:
/*
#include <stdlib.h>

typedef int (*qsort_cmp_func_t)(const void* a, const void* b);
extern int _cgo_qsort_compare(void* a, void* b);
*/
import "C"

func Sort(base unsafe.Pointer, num, size int, cmp func(a, b unsafe.Pointer) int) {
    go_qsort_compare_info.Lock()
    defer go_qsort_compare_info.Unlock()

    go_qsort_compare_info.fn = cmp

    C.qsort(base, C.size_t(num), C.size_t(size),
        C.qsort_cmp_func_t(C._cgo_qsort_compare),
    )
}
每次排序前,对全局的 go_qsort_compare_info 变量加锁,同时将当前的闭包函数保存到全局变量,然后调用 C语言的 qsort 函数。

基于新包装的函数,我们可以简化之前的排序代码:
func main() {
    values := []int32{42, 9, 101, 95, 27, 25}
    qsort.Sort(unsafe.Pointer(&values[0]), len(values), int(unsafe.Sizeof(values[0])),
        func(a, b unsafe.Pointer) int {
            pa, pb := (*int32)(a), (*int32)(b)
            return int(*pa - *pb)
        },
    )
    fmt.Println(values)
}
现在排序不再需要通过 CGO 实现 C语言版本的比较函数了,可以传入 Go语言闭包函数作为比较函数。但是导入的排序函数依然依赖 unsafe 包,这是违背 Go语言编程习惯的。

改进:消除用户对 unsafe 包的依赖

前一个版本的 qsort.Sort 包装函数已经比最初的 C语言版本的 qsort 易用很多,但是依然保留了很多 C语言底层数据结构的细节。现在我们将继续改进包装函数,尝试消除对 unsafe 包的依赖,并实现一个类似标准库中 sort.Slice 的排序函数。

新的包装函数声明如下:

package qsort
func Slice(slice interface{}, less func(a, b int) bool)

首先,我们将 slice 作为接口类型参数传入,这样可以适配不同的切片类型。然后切片的首个元素的地址、元素个数和元素大小可以通过 reflect 反射包从切片中获取。

为了保存必要的排序上下文信息,我们需要在全局包变量增加要排序数组的地址、元素个数和元素大小等信息,比较函数改为 less:

var go_qsort_compare_info struct {
    base unsafe.Pointer
    elemnum int
    elemsize int
    less func(a, b int) bool
    sync.Mutex
}

同样比较函数需要根据元素指针、排序数组的开始地址和元素的大小计算出元素对应数组的索引下标,然后根据 less 函数的比较结果返回 qsort 函数需要格式的比较结果。
//export _cgo_qsort_compare
func _cgo_qsort_compare(a, b unsafe.Pointer) C.int {
    var (
        // array memory is locked
        base = uintptr(go_qsort_compare_info.base)
        elemsize = uintptr(go_qsort_compare_info.elemsize)
    )

    i := int((uintptr(a) - base) / elemsize)
    j := int((uintptr(b) - base) / elemsize)

    switch {
        case go_qsort_compare_info.less(i, j): // v[i] < v[j]
            return -1
        case go_qsort_compare_info.less(j, i): // v[i] > v[j]
            return +1
        default:
            return 0
    }
}
新的 Slice 函数的实现如下:
func Slice(slice interface{}, less func(a, b int) bool) {
    sv := reflect.ValueOf(slice)
    if sv.Kind() != reflect.Slice {
        panic(fmt.Sprintf("qsort called with non-slice value of    type %T", slice))
    }
    if sv.Len() == 0 {
        return
    }

    go_qsort_compare_info.Lock()
    defer go_qsort_compare_info.Unlock()

    defer func() {
        go_qsort_compare_info.base = nil
        go_qsort_compare_info.elemnum = 0
        go_qsort_compare_info.elemsize = 0
        go_qsort_compare_info.less = nil
    }()

    // baseMem = unsafe.Pointer(sv.Index(0).Addr().Pointer())
    // baseMem maybe moved, so must saved after call C.fn
    go_qsort_compare_info.base = unsafe.Pointer(sv.Index(0).Addr().Pointer())
    go_qsort_compare_info.elemnum = sv.Len()
    go_qsort_compare_info.elemsize = int(sv.Type().Elem().Size())
    go_qsort_compare_info.less = less

    C.qsort(
        go_qsort_compare_info.base,
        C.size_t(go_qsort_compare_info.elemnum),
        C.size_t(go_qsort_compare_info.elemsize),
        C.qsort_cmp_func_t(C._cgo_qsort_compare),
    )
}
首先需要判断传入的接口类型必须是切片类型。然后通过反射获取 qsort 函数需要的切片信息,并调用 C语言的 qsort 函数。

基于新包装的函数我们可以采用和标准库相似的方式排序切片:
import (
    "fmt"
    qsort "."
)

func main() {
    values := []int64{42, 9, 101, 95, 27, 25}

    qsort.Slice(values, func(i, j int) bool {
        return values[i] < values[j]
    })
    fmt.Println(values)
}
为了避免在排序过程中,排序数组的上下文信息 go_qsort_compare_info 被修改,我们进行了全局加锁。因此目前版本的 qsort.Slice 函数是无法并发执行的,读者可以自己尝试改进这个限制。

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