编程技巧-跳转表

前言

前面我们讲到了《函数指针》,今天我们看一个编程技巧-函数跳转表。我们先来看如何实现一个简易计算器。

初始版本

让我们实现一个简易计算器,我们首先能想到的方式是什么?switch语句或者if else语句。没错,初学就会想到的两种方式,我们来看看这种实现方式。这里我们选择switch语句,定义一个操作类型,用户选择操作类型与操作类型匹配时,选择对应的处理函数进行处理,calc1.c代码如下:

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/*calc1.c*/
#include<stdio.h>
#include<stdlib.h>
/*将操作定义为枚举类型*/
typedef enum
{
OP_ADD = 0,
OP_SUB,
OP_MUL,
OP_DIV,
}OP_TYPE;
/*加减乘除处理函数*/
double ADD(double op1,double op2)
{
return op1+op2;
}
double SUB(double op1,double op2)
{
return op1-op2;
}
double MUL(double op1,double op2)
{
return op1*op2;
}
double DIV(double op1,double op2)
{
return op1/op2;
}
double calc(int op,double op1,double op2)
{
/*使用switch,根据操作类型,选择操作*/
double result = 0;
switch(op)
{
case OP_ADD:
{
result = ADD(op1,op2);
break;
}
case OP_SUB:
{
result = SUB(op1,op2);
break;
}
case OP_MUL:
{
result = MUL(op1,op2);
break;
}
case OP_DIV:
{
result = DIV(op1,op2);
break;
}
default:
{
printf("unsupport opration\n");
break;
}
}
return result;
}
int main(int argc,char *argv[])
{
if(4 > argc)
{
printf("usage:op num1 num2\n");
printf("op[0:add,1:sub,2:mul;3:div]\n");
return 0;
}
int op = atoi(argv[1]);
double op1 = atof(argv[2]);
double op2 = atof(argv[3]);
printf("op:%d,op1:%.1f,op2:%.1f\n",op,op1,op2);
double result = calc(op,op1,op2);
printf("result is %.1f\n",result);
return 0;
}

除去编译器对switch进行优化的情况,这种设计方式有以下几个缺点:

  • 操作增加时,代码增加,case语句将变得冗长。
  • 操作增加时,分支增加,处理对应操作的时间将会增长。
  • 代码可维护性较差。

我们观察代码会发现,每增加一种操作,就需要增加一个分支,当操作越来越多的时候calc函数将会变得冗长且不易维护。并且如果没有编译器优化,由于在找到最终匹配的之前,每一个case语句都需要执行,因此可能将导致运行时间变长。

函数跳转表版本

既然每一个操作对应一个函数,那么完全可以定义一个函数指针数组,而每个操作对应一个下标值,只要知道下标值,很快就可以找到对应的函数。我们都知道,数组下标方式访问数据效率是很高的。该版本实现如下:

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calc2.c
#include<stdio.h>
#include<stdlib.h>
/*将操作定义为枚举类型*/
typedef enum
{
OP_ADD = 0,
OP_SUB,
OP_MUL,
OP_DIV,
}OP_TYPE;
/*入参为double,出参为double的函数指针*/
typedef double (*OP_FUNC)(double,double);
typedef struct OP_STRUCT
{
OP_TYPE opType;//操作类型
OP_FUNC opFun; //操作函数
}OP_STRUCT;
/*加减乘除处理函数与calc1.c相同,这里省略,可自行添加*/
/*函数跳转表*/
static OP_STRUCT g_opStruct[] =
{
{OP_ADD ,ADD},
{OP_SUB ,SUB},
{OP_MUL ,MUL},
{OP_DIV ,DIV},
};
/*最大操作数量*/
static int g_opNum = sizeof(g_opStruct)/sizeof(OP_STRUCT);
double calc(int op,double op1,double op2)
{
if(op >= g_opNum || op < 0)
{
printf("unknow opration\n");
return 0;
}
/*根据操作类型直接选择操作函数*/
return g_opStruct[op].opFun(op1,op2);
}
/*main函数与calc1.c相同,这里省略*/

calc函数中,直接根据操作类型而选择需要的操作处理函数。时间复杂度为O(1)。另外,当需要新增一种操作时,不需要修改calc函数,只需要在函数表g_opStruct中增加一种操作即可。而操作处理是一个返回值为double,入参为两个double的函数,因此使用:

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typedef double (*OP_FUNC)(double,double);

将该类型函数指针定义为OP_FUNC,方面后面的使用。

另外,还可以看到calc函数很简洁,关键代码只有一行。

总结

本文的例子有很多可以优化的地方,例如异常时返回0,可能被当成结果等等,这里只是用switch语句和跳转表作简单的示例。而对于同类型的分支处理,完全可以考虑使用跳转表的方式,使用跳转表还需要注意的一点就是数组越界
跳转表只是一种思路,它并不是在所有情况下都可以替代switch语句,可根据实际情况决定是否需要使用。

思考

为什么在说明第一个版本的简易计算器的时候,强调:除去编译器对switch进行优化的情况?

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