แนวทางใหม่ในการสร้าง generic data structures แบบ type-safe ใน C ได้เกิดขึ้น โดยใช้ unions เพื่อเชื่อมโยงข้อมูลประเภทกับ generic containers เทคนิคนี้สัญญาว่าจะนำประโยชน์บางส่วนของ generics ในภาษาสมัยใหม่มาสู่การเขียนโปรแกรม C ในขณะที่ยังคงความเข้ากันได้กับ codebase ที่มีอยู่
วิธีการนี้ทำงานโดยการสร้าง union ที่ประกอบด้วยทั้ง data structure จริงและ payload member ที่มีอยู่เพื่อข้อมูลประเภทใน compile-time เท่านั้น โดยการใช้ประโยชน์จาก operator typeof (ซึ่งตอนนี้เป็นส่วนหนึ่งของ C23 ) นักพัฒนาสามารถบังคับใช้ type safety โดยไม่มี runtime overhead ในขณะที่หลีกเลี่ยงข้อผิดพลาดแบบดั้งเดิมของการเขียนโปรแกรม generic ที่ใช้ void pointer
การรองรับ typeof จากคอมไพเลอร์
- มาตรฐาน C23:
typeofได้กลายเป็นส่วนหนึ่งของมาตรฐาน C อย่างเป็นทางการแล้ว - GCC/Clang: รองรับมาอย่างยาวนานผ่านส่วนขยาย
__typeof__ - MSVC: เพิ่มการรองรับในเวอร์ชัน 19.39 (ปลายปี 2023)
- คอมไพเลอร์รุ่นเก่า: ต้องใช้วิธีแก้ปัญหาชั่วคราวโดยใช้การตรวจสอบประเภทข้อมูลแบบ assignment-based
ชุมชนแบ่งแยกเรื่องแนวทางการใช้งาน
ชุมชนนักเขียนโปรแกรมแสดงปฏิกิริยาแบบผสมผสานต่อแนวทาง union-based นี้ นักพัฒนาบางคนโต้แย้งว่า macro-based generics แบบดั้งเดิม แม้จะมีความซับซ้อน แต่ให้ประสิทธิภาพและความสามารถในการ debug ที่เหนือกว่า การใช้งาน header-based เหล่านี้สร้าง monomorphized code ที่ compiler สามารถ optimize ได้อย่างมีประสิทธิภาพมากขึ้น คล้ายกับ C++ templates
อย่างไรก็ตาม คนอื่นๆ ชี้ให้เห็นข้อเสียที่สำคัญของแนวทาง macro-heavy เครื่องมือ code completion มีปัญหากับ macro-generated functions ขนาด binary อาจพองโตด้วย instantiations หลายตัว และการ debug กลายเป็นเรื่องท้าทายมากขึ้นเมื่อต้อง step through macro-expanded code
แนวทางการเขียนโปรแกรมแบบ Generic ใน C
| วิธีการ | ความปลอดภัยของชนิดข้อมูล | ประสิทธิภาพ | ขนาดไฟล์ Binary | การ Debug |
|---|---|---|---|---|
| Macro Headers | สูง | ยอดเยี่ยม | ใหญ่ | ยาก |
| void* Pointers | ไม่มี | ดี | เล็ก | ง่าย |
| Union + typeof | สูง | ดี | ปานกลาง | ปานกลาง |
| Transpilation | สูง | ยอดเยี่ยม | ใหญ่ | ง่าย |
ข้อกังวลทางเทคนิคและข้อจำกัด
ปัญหาทางเทคนิคหลายประการได้ถูกยกขึ้นเกี่ยวกับวิธี union-based แนวทางนี้อาศัย function pointer casting ซึ่งบางคนโต้แย้งว่าเป็น undefined behavior ตามมาตรฐาน C ปัญหา memory alignment ยังสามารถเกิดขึ้นได้เมื่อใช้ flexible array members กับประเภทที่มีความต้องการ alignment ที่แตกต่างจาก base structure
เทคนิคนี้ยังเผชิญกับข้อจำกัดเกี่ยวกับ intrusive data structures ซึ่ง container node ถูกฝังอยู่ภายในข้อมูลแทนที่จะบรรจุข้อมูลไว้ รูปแบบนี้ซึ่งใช้กันทั่วไปในการเขียนโปรแกรมระบบเช่น Linux kernel ไม่สามารถแปลงไปสู่แนวทาง union-based ได้ดี
วิธีแก้ไขทางเลือกและ Workarounds
สำหรับนักพัฒนาที่ทำงานกับ compiler รุ่นเก่าที่ไม่มีการสนับสนุน typeof มีการใช้งานทางเลือกโดยใช้ assignment-based type checking อย่างไรก็ตาม workarounds เหล่านี้นำความซับซ้อนของตัวเองมาด้วย รวมถึงการประเมิน argument สองครั้งและข้อจำกัดเกี่ยวกับ const-qualified containers
เทคนิคที่คุณกล่าวถึงคือวิธีที่ผมสร้าง C dialect ทั้งหมด syntax ค่อนข้างหนัก แต่ข้อได้เปรียบใหญ่คือ: คุณได้ C structs ปกติในท้ายที่สุด เรียบง่ายมาก คาดเดาได้มาก optimize ได้มาก
นักพัฒนาบางคนสนับสนุนให้ละทิ้งเทคนิค C ที่ซับซ้อนทั้งหมดเพื่อใช้แนวทาง transpilation แทน ซึ่ง compiler ขนาดเล็กสร้าง C code จาก syntax ระดับสูงกว่า วิธีการนี้สามารถให้ abstraction ที่สะอาดกว่าในขณะที่ยังคงมี C เป็น output สุดท้าย
ข้อพิจารณาในทางปฏิบัติ
การถกเถียงในท้ายที่สุดมุ่งเน้นไปที่ trade-offs ในทางปฏิบัติ ในขณะที่เทคนิค union นำเสนอวิธีแก้ไขที่สง่างามสำหรับ container ง่ายๆ เช่น linked lists แต่อาจไม่สามารถขยายได้ดีกับ data structures ที่ซับซ้อนกว่าที่ต้องดำเนินการกับข้อมูลที่บรรจุอยู่ เช่น binary heaps หรือ hash tables ที่ต้องการการเปรียบเทียบหאו hashing operations
สำหรับกรณีการใช้งานหลายๆ แบบ โดยเฉพาะใน embedded systems หรือเมื่อต้องเชื่อมต่อกับ C libraries ที่มีอยู่ เทคนิคการเขียนโปรแกรม generic เหล่านี้ให้การปรับปรุง type safety ที่มีค่าเหนือแนวทาง void pointer แบบดั้งเดิม อย่างไรก็ตาม การเลือกระหว่างวิธีการต่างๆ มักขึ้นอยู่กับความต้องการของโครงการเฉพาะ การสนับสนุนของ compiler และความชอบของทีม
การอภิปรายนี้เน้นย้ำถึงความตึงเครียดที่ดำเนินต่อไปในการเขียนโปรแกรม C ระหว่างการรักษาความเรียบง่ายของภาษาและการเพิ่มความสะดวกในการเขียนโปรแกรมสมัยใหม่ที่นักพัฒนาคาดหวังจากภาษาใหม่ๆ