2.3. Библиотеки

В стандартные библиотеки языков С и C++ входят функции сорти­ровки, которые устойчивы к неблагоприятным входным данным и на­строены на предельно быструю работу.

Библиотечные функции написаны так, что они могут сортировать данные любого типа, но мы в свою очередь должны адаптироваться к их интерфейсу, что может быть несколько сложнее, чем в рассмотренном выше примере. В языке С библиотечная функция называется qsort, и ей нужно предоставлять функцию сравнения двух значений. Поскольку значения могут быть любых типов, то функции сравнения передаются два нетипизированных указателя (void *) на сравниваемые значения. Функция преобразует указатели к нужному типу, извлекает значения данных, сравнивает их и возвращает результат (отрицательный, нуль или положительный в зависимости от того, меньше ли первый элемент, равен ли второму или больше его).

Рассмотрим реализацию функции сравнения для сортировки массива строк, случая, встречающегося довольно часто. Мы написали функцию scmp, которая преобразует параметры к другому типу и затем вызывает strcmp для выполнения самого сравнения:

/* scmp: сравнение строк *р1 и *р2 */

int scmp(const void *p1, const void *p2)

{

char *v1, *v2;

v1 = *(char **) p1;

v2 = *(char **) p2;

return strcmp(v1, v2);

}

Мы могли бы написать эту функцию в одну строку, но при использова­нии временных переменных код становится более удобочитаемым.

Мы не можем напрямую использовать st rcmp как функцию сравне-¹ ния, поскольку qsort передает адрес каждого элемента в массиве &str[i] ' (типа char **), а не str[i] (типа char *), как показано на рисунке:

Для сортировки элементов массива строк c str[0] пo str[N-1] функция qsort должна получить массив, его длину, размер сортируемых элементов и функцию сравнения:

char *str[N];

qsort(str, N, sizeof(str[0] ), scmp);

А вот аналогичная функция icmp для сравнения целых:

/* icmp: сравнивает целые *р1 и *р2 */

int icmp(const void *p1, const void *p2)

{

int v1, v2;

v1 = *(int *) p1;

v2 = *(int *) p2;

if (v1 < v2)

return -1;

else if (v1 == v2)

return 0;

else

return 1;

}

Мы могли бы написать

? return v1-v2;

но если v2 — большое положительное число, a v1 — большое по абсолют­ному значению отрицательное или наоборот, то получившееся перепол­нение привело бы к неправильному ответу. Прямое сравнение длиннее, но надежнее.

И здесь при вызове qsort нужно передать массив, его длину, размер сортируемых элементов и функцию сравнения:

int arr[N];

qsort(arr, N, sizeof(arr[0] ), icmp);

В стандарте ANSI С определена также функция двоичного поиска bsearch. Как и qsort, этой функции нужен указатель на функцию сравне­ния (часто на ту же, что используется для qsort); bsearch возвращает указатель на найденный элемент или на NULL, если такого элемента нет. Вот наша программа для поиска имен в HTML-файле, переписанная с использованием bsearch:

/* lookup: использует bsearch для поиска name в таблице tab,

возвращает индекс */

int lookup(char *name, Nameval tab[], int ntab)

{

Nameval key, *np;

key. name = name;

key. value = 0; /* не используется;

годится любое значение */

np = (Nameval *) bsearch(&key, tab, ntab,

sizeof (tab[0] ), nvcmp);

if (np == NULL)

return -1;

else

return np-tab;

}

Как и в случае qsort, функция сравнения получает адреса сравнивае­мых значений, поэтому ключевое (искомое) значение должно иметь этот же тип; в данном примере нам пришлось создать фиктивный элемент типа Nameval для передачи в функцию сравнения. Сама функция сравне­ния nvcmp сравнивает два значения типа Nameval, вызывая st rcmp для их строковых компонентов, полностью игнорируя численные компоненты:

/* nvcmp: сравнивает два значения типа Nameval */

int nvcmp(const void *va, const void *vb)

{

const Nameval *a, *b;

a = (Nameval *) va;

b = (Nameval *) vb;

return strcmp(a->name, b->name);

Это похоже на scmp, только с тем отличием, что строки хранятся как чле­ны структуры.

Неудобство передачи ключевого значения показывает, что bsearch предоставляет меньше возможностей, чем qsort. Хорошая многоцелевая функция сортировки занимает одну-две страницы кода, а двоичный по­иск — ненамного больше, чем код для интерфейса с bsearch. Тем не ме­нее лучше использовать bsearch, чем писать свою собственную версию. Как показывает опыт, программистам на удивление трудно написать двоичный поиск без ошибок.

В стандартной библиотеке C++ имеется обобщенная функция sort, которая обеспечивает время работы O(n log n). Код для ее вызова проще, потому что нет необходимости в преобразовании типов и размеров эле­ментов. Кроме того, для порядковых типов не требуется задавать функ­цию сравнения:

int arr[N];

sort(arr, arr+N);

Эта библиотека содержит также обобщенные функции двоичного поис­ка, с теми же преимуществами в вызове.

Упражнение 2-1

Алгоритм быстрой сортировки проще всего выразить рекурсивно. Реализуйте его итеративно и сравните две версии. (Хоар расска­зывает, как было трудно разработать итеративный вариант быстрой сортировки и как легко все оказалось, когда он сделал ее рекур­сивной.)