哨兵节点：思想简单，效果很棒的的编程算法

哨兵节点：思想简单，效果很棒的的编程算法

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​​普通的算法​​​​哨兵算法​​​​小结​​

别人的经验，我们的阶梯！

今天和同事一起调代码，定位到一处很耗时的地方。

在某个线程中，同步周期需要保证在​​2​​​毫秒(如果耗时不到​​2​​​毫秒，那么就让剩下的时间进行​​sleep​​)。

但是在调用一个模块的内部函数时，时不时的就飘到了​​3~5​​毫秒，时间抖动毫无保证。

后来仔细分析了一下被调用的函数，发现是在查找链表中某个目标节点时，由于目标节点的不确定性，导致耗时飘来飘去。

后来想到是否可以用“哨兵”的思路来解决问题，于是就试了一下，果然有效。

特分享于此，使用​​2​​段代码来看一下代码执行效率的提升。

普通的算法

所谓的哨兵，就是一个标志，一个与查找目标对象一样的操作对象。

以前有一本书中举过这样的一个例子：

假如有​​10000​​​个纸箱，每个箱子里面都有一张纸条，纸条上写有​​1 ~ 10000​​这些数字，数字不会重复。

现在：别人给了一个随机的数字，我们需要在这​​10000​​个箱子里找到与这个数字相同的纸条，找到之后退出操作。

面对这个问题，最直觉的想法就是：从头开始，遍历这​​10000​​个箱子，检查其中的纸条上数字是否与目标相同。

因为纸箱里的纸条不是按照顺序排列的，所以只能从头开始遍历;

大概就是下面这个样子：

int lookfor_num = xxx;for (int i = 0; i < 10000; ++i){ if (box[i] == lookfor_num) { printf("找到了！箱子编号是：%d \n", i); break; }}

从上面这段示意性代码中可以看出，在​​for​​​循环中主要有​​2​​个比较指令：

比较箱子的编号 i 是否到了最后一个箱子;比较箱子里的纸条上数字，是否与要查找的目标数字相同;

为了便于量化问题，我们写一个测试代码，打印出​​for​​循环的时间消耗。

为了便于客观比较，在测试代码中：

循环次数设置为 1000000 万次;箱子里纸条上的数字按顺序存放，不影响讨论问题的本质;查找的数字设置为一个中间值 500000;

测试文件：​​loop1.c​​

#include #include #include #include #include #define LOOP_NUM 1000000int main(int argc, char *argv[]){ long data[LOOP_NUM]; long rand_num = 500000; struct timeval tv1, tv2; for (long i = 0; i < LOOP_NUM; ++i) { data[i] = i; } gettimeofday(&tv1, 0); for (long i = 0; i < LOOP_NUM; ++i) { if (data[i] == rand_num) { printf("hit rand_num. i = %ld \n", i); break; } } gettimeofday(&tv2, 0); long us1 = tv1.tv_sec * 1000000 + tv1.tv_usec; long us2 = tv2.tv_sec * 1000000 + tv2.tv_usec; printf("time elapse: %ld \n", us2 - us1); return 0;}

编译：​​gcc loop1.c -o loop1​​

执行：

耗时大概在​​1350 ~ 1380​​微秒左右。

哨兵算法

哨兵算法的主要思想就是：降低在​​for​​循环中的比较操作。

因为纸箱的数量是有限的，上面的代码中，在还没有找到目标数字之前，需要对纸箱的序号进行检查：以免超过了最大的纸箱。

我们可以在最后额外添加一个纸箱，并且在其中存放我们查找的目标数字，额外添加的这个纸箱就叫做​​哨兵​​！

这样的话，在​​for​​循环中，就不需要检查这个纸箱序号是否超过了最大的纸箱。

因为：我们在哨兵纸箱中放了被查找的那个数字，所以是一定能够找到目标数字的：

要么是在前面的纸箱中, 要么是在哨兵纸箱中！

因此，在​​for​​循环中，就只需要比较纸条上的数字，而不用比较纸箱的序号是否达到最后一个了。

当找到目标数字之后，唯一要多做的步骤是：检查这个箱子是否为哨兵纸箱。

如果是哨兵纸箱：说明前面的纸箱中没有查找到目标数字；

如果不是哨兵纸箱：说明在前面的纸箱中查找到了目标数字；

测试代码​​loop2.c​​：

#include #include #include #include #include #define LOOP_NUM 1000000int main(int argc, char *argv[]){ long data[LOOP_NUM + 1]; // add another room long rand_num = 500000; struct timeval tv1, tv2; for (long i = 0; i < LOOP_NUM; ++i) { data[i] = i; } data[LOOP_NUM] = rand_num; // add a sentinel gettimeofday(&tv1, 0); long i = 0; while (1) { if (data[i] == rand_num) { if (i != LOOP_NUM) { printf("hit rand_num. i = %ld \n", i); } break; } ++i; } gettimeofday(&tv2, 0); long us1 = tv1.tv_sec * 1000000 + tv1.tv_usec; long us2 = tv2.tv_sec * 1000000 + tv2.tv_usec; printf("time elapse: %ld \n", us2 - us1); return 0;}

编译：​​gcc loop2.c -o loop2​​

执行：

耗时大概在​​960 ~ 990​​微秒之间。

小结

这篇短文仅仅是用​​for​​循环来讨论哨兵的编程思想。

在其它的一些编程场景中，应用的机会还是挺多的，也能够非常显著的提升代码的执行效率。

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