冒號和他的學生們
——程序員提高班紀事
- 泛型范式
算法是脊，數據是肉；思想是雞，結論是蛋 ——題記
冒號重新開講：“你們會不會經常遇到這種情景：一遍又一遍地寫著相似的代碼，有心將其歸并，卻因種種原因無法踐行。”
逗號心有戚戚焉道：“是啊，有時明明兩個函數的實現幾乎一模一樣的，就因為某些參數不匹配，無法合而為一。”
“有一種編程范式可以解決這個問題，它打破了不同數據結構之間的壁壘，讓你的代碼不再臃腫，這——就是泛型編程。”冒號的語調和說辭不免令人聯想到電視上的減肥廣告，“Generic
Programming，簡稱GP，其基本思想是：將算法與其作用的數據結構分離，并將后者盡可能泛化，最大限度地實現算法重用。這種泛化是基于模板的參數多態（parametric
polymorphism），相比OOP基于繼承的子類型多態（subtype polymorphism），不僅普適性更強，而且效率也更高。這不能不說是一種異數——我們知道，普適性往往是以效率為代價的。GP最著名的代表是C++中的STL，其后亦為Java，C#等所吸納。此外，一些函數式語言如Ocaml、Standard ML、Generic
Haskell等也支持GP。”
冒號寫下兩段代碼——
C++（泛型編程）：
template <typename T>
T max(T a, T b) // 求出兩個數中的較大者
{
return (a > b) ? a : b;
}
C（宏定義）：
#define max(a,b) ((a) > (b) ?
(a) : (b))
“求兩個數中的較大值是經常遇到的問題。”冒號解說著，“對于靜態類型語言來說，若參數類型不同，即使函數體相同也不能合為一體。如果語言不支持重載（overload），還可能出現maxInt、maxLong、maxFloat、 maxDouble之類的函數名，冗贅而丑陋。盡管在C中可用宏定義來實現，但無法保證類型安全，而C++模板則兼顧類型安全和代碼重用，并且由于是在編譯期間展開的，效率上也不損失。不止于此，C++支持運算符重載，除數值類型外，一切定義了‘>’ 運算的數據類型均可調用max函數，真是一舉N得，N趨向無窮大啊！”
冒號邊說邊比劃，夸張的語氣和手勢逗得大家都笑了。
引號提出疑問：“Java的一切對象都是Object，將所有參數都換成Object類型，豈不也是一種泛化？”
冒號答道：“首先，基本類型如int，float等不是Object的子類，雖然Java
新增了自動裝拆箱（autoboxing/unboxing）的功能，但要付出性能的代價。更重要的是，這將不可避免地需要類型強制轉換，喪失了靜態類型語言的優勢，為Bug大開方便之門。這也是Java最終引入模板的原因，雖然有些姍姍來遲。類似地，C/C++中的通用指針void *也有類型安全問題。”
句號發表他的看法：“泛型雖好，似乎只是某些局部才用到的技術，不具有前面幾種范式的滲透性。”
冒號聽罷不語，返身在黑板上寫下幾道題——
1．從一個整數數組中隨機抽取十個數，對其中的素數求和
2．將一個無序整數集中所有的完全平方數換成其平方根
3．從學生成績表中，列出門門都及格且平均分在70分以上的學生名單
4．在一個著色二元樹中，將所有的紅色結點涂成藍色
5．將一個字符串從倒數第三個字符開始反向拷貝到另一個字符串中
6．每從標準輸入讀取一個非數字的字符，于標準輸出打印‘請輸入數字’
句號暗忖，不過是些常規題嘛。不料冒號的問題卻出人意表：“請問它們之間有何共同之處？能否共享一段代碼？”
見眾人緘默已久，冒號接著投影出一段代碼——
template <class Iterator, class
Act, class Test>
void process(Iterator begin,
Iterator end, Act act, Test test)
// 對容器中在給定范圍內（即起于begin止于end）所有滿足給定條件的元
//素（即test（元素）==true）進行處理（即act（元素））
{
for ( ; begin != end;
++begin) // 從頭至尾遍歷容器內元素
if (test(*begin)) act(*begin); // 若當前元素滿足條件，則對其采取行動
}
“STL有三要素：算法（algorithm）、容器（container）和迭代器（iterator）。容器是數據的集合，可理解為抽象的數組；迭代器是算法與容器之間的接口，可理解為抽象的指針或者游標。”冒號講述道，“算法串聯數據，如脊貫肉；數據實化算法，如肉附脊。只有抽象出表面的數據，算法的脊梁才能顯現。以上幾題看似風馬牛不相及，若運用泛型思維，便可發現它們的共性：對指定集合中滿足指定條件的元素進行指定處理。用模板語言，寥寥數行即勾勒完畢。”
問號詫異道：“相比前面的max模板，這里連元素的數據類型T都不見了？”
冒號回答：“元素被容器封裝了。”
問號追問：“可這里連容器也看不到啊？”
冒號料有此問：“容器通過它的迭代器參與算法。”
句號豁然開朗：“通過模板，泛化了容器——可以是數組、列表、集合、映射、隊列、棧、字符串等等；泛化了元素——可以是任何數據類型；泛化了處理方法和限定條件——可以是任何函數。”
冒號提醒道：“補充兩點：處理方法和限定條件不限于函數，還可以是函子（Functor）——自帶狀態的函數對象；另外還有一個隱蔽的泛化：迭代器——可以從前往后移動，可以從后往前移動，可以隨機移動，也可以按任意預先定義的規律移動。”
嘆號由衷感嘆：“果然強悍啊！”
逗號倒也心細：“最后一題中標準輸入也算容器嗎？”
“為什么不呢？只要一個對象配備了迭代器，它就算容器。I/O流上就有現成的迭代器，當然你也可以自行定制。”冒號目光轉向句號，“現在還有人說泛型編程滲透性不強嗎？”
句號腆然一笑。
“這只是泛型編程的冰山一角。重要的是，我們不是在玩弄花哨的技巧，而是在用一種新的視角去審視問題。”冒號總結道，“泛型編程是算法導向（Algorithm-Oriented）的，即以算法為起點和中心點，逐漸將其所涉及的數據結構內涵模糊化、外延擴大化，從而擴展算法的適用范圍。這非常類似數學思維——當數學家證明完一個定理后，總會試圖在保持核心思想的前提下，盡可能地放寬題設，增強結論，從而推廣定理。外行人以為數學定理最重要，其實數學思想才是數學的精髓，在數學家眼里，思想是雞，結論是蛋。這也無怪乎STL會出自一位學數學的人之手了。”
新版請見：冒號課堂§3.1：泛型范式