Shift-To-Middle Array: โครงสร้างข้อมูลที่มีแนวโน้มดีแต่ถูกวิจารณ์เรื่องปัญหาการเติบโต

โครงสร้างข้อมูล Shift-To-Middle Array ที่เพิ่งถูกแนะนำได้จุดประกายการถกเถียงอย่างมากในหมู่นักพัฒนา โดยหลายคนชี้ให้เห็นข้อบกพร่องที่สำคัญแม้ว่าจะมีแนวคิดที่น่าสนใจ โครงสร้างนี้ถูกออกแบบมาเพื่อเป็นทางเลือกแทนโครงสร้างข้อมูลแบบดั้งเดิมอย่าง std::deque, std::vector และ linked lists โดยมีเป้าหมายเพื่อเพิ่มประสิทธิภาพการแทรกและการลบที่ทั้งสองปลายในขณะที่ยังคงรักษาพื้นที่หน่วยความจำแบบต่อเนื่อง

พบปัญหาการเติบโตไม่สิ้นสุด

คำวิจารณ์ที่สำคัญที่สุดมุ่งเน้นไปที่ข้อบกพร่องพื้นฐานในการออกแบบ: โครงสร้างข้อมูลนี้เติบโตไม่มีที่สิ้นสุดเมื่อใช้ในการดำเนินการคิวทั่วไป นักพัฒนาคนหนึ่งได้ชี้ให้เห็นในการอภิปรายว่า การผลักข้อมูลเข้าที่ด้านหัวและลบออกจากด้านท้ายซ้ำๆ ซึ่งเป็นรูปแบบคิวมาตรฐาน ทำให้อาร์เรย์มีการปรับขนาดอย่างต่อเนื่องแม้ว่าจะมีจำนวนองค์ประกอบคงที่และน้อย

การใช้งานนี้เติบโตไม่มีที่สิ้นสุดหากคุณผลักข้อมูลเข้าที่ด้านหัวและลบออกจากด้านท้ายซ้ำๆ แม้ว่าจำนวนองค์ประกอบสูงสุดในอาร์เรย์จะมีขนาดเล็กก็ตาม

พฤติกรรมนี้แตกต่างอย่างชัดเจนจากการใช้งาน ring buffer ที่จัดการกรณีการใช้งานทั่วไปนี้ได้อย่างมีประสิทธิภาพโดยไม่จำเป็นต้องจัดสรรหน่วยความจำหรือคัดลอกข้อมูลที่ไม่จำเป็น ปัญหาการเติบโตนี้ส่งผลให้ความเป็นไปได้ในการใช้งานโครงสร้างข้อมูลลดลงสำหรับหนึ่งในการใช้งานหลักที่ตั้งใจไว้: คิวประสิทธิภาพสูง

คุณสมบัติหลักของ Shift-To-Middle Array

• การแทรกและการลบที่ปลายทั้งสองด้านใช้เวลา O(1) โดยเฉลี่ย
• การเข้าถึงแบบสุ่มที่รวดเร็ว (O(1))
• มีการจัดเก็บข้อมูลในหน่วยความจำที่ต่อเนื่องกันดีกว่า linked lists
• รองรับการเพิ่มประสิทธิภาพแบบ SIMD และแบบขนาน
• การจัดเก็บหน่วยความจำแบบต่อเนื่อง (ต่างจาก std::deque ที่มีบล็อกแยกส่วน)

ข้อวิจารณ์หลัก

• เติบโตไม่มีที่สิ้นสุดเมื่อใช้งานแบบคิว (push ที่ด้านหน้า, pop ที่ด้านหลัง)
• มีปัญหากับประเภทข้อมูลที่ซับซ้อน (destructors, move constructors)
• มีการคัดลอกข้อมูลที่ไม่จำเป็นเมื่อเทียบกับการใช้ ring buffer
• ขาดการลบข้อมูลแบบสุ่มที่มีประสิทธิภาพ
• ขาดการสนับสนุน iterator สำหรับความเข้ากันได้กับอัลกอริทึมมาตรฐาน

ข้อกังวลเกี่ยวกับการใช้งานสำหรับประเภทที่ไม่ใช่แบบง่าย

นักพัฒนาหลายคนสังเกตว่าการใช้งาน C++ ในปัจจุบันอาจประสบปัญหากับประเภทที่ไม่ใช่แบบง่าย วัตถุที่มี destructors หรือ move constructors (เช่น std::unique_ptr) อาจก่อให้เกิดปัญหาเนื่องจากการใช้งานดูเหมือนจะทำงานกับหน่วยความจำแบบดิบ ผู้แสดงความคิดเห็นคนหนึ่งแนะนำให้เพิ่ม static assertion เพื่ออย่างน้อยจำกัดการใช้งานเฉพาะประเภทที่คัดลอกได้ง่าย ซึ่งเน้นย้ำถึงข้อจำกัดของการใช้งานในปัจจุบัน

การเปรียบเทียบกับโซลูชันที่มีอยู่

การอภิปรายในชุมชนเผยให้เห็นข้อมูลเชิงลึกที่น่าสนใจเกี่ยวกับการใช้งานทางเลือก บางคนชี้ให้เห็นว่าแนวทางที่คล้ายกันมีอยู่แล้ว รวมถึง Apple's CoreFoundation CFArray และ Boost's devector คนอื่นๆ สงสัยว่าโครงสร้างใหม่นี้ให้ข้อได้เปรียบที่มีความหมายเหนือโซลูชันที่มีอยู่แล้วอย่าง VecDeque (การใช้งาน ring buffer) หรือไม่

นักพัฒนาหลายคนได้แบ่งปันการใช้งานโครงสร้างข้อมูลที่คล้ายกันของตนเอง ซึ่งแนะนำว่าแนวคิดนี้มีคุณค่าแต่ต้องพิจารณากรณีพิเศษและลักษณะประสิทธิภาพอย่างรอบคอบ

การแลกเปลี่ยนประสิทธิภาพ

ในขณะที่ Shift-To-Middle Array สัญญาว่าจะมี cache locality ที่ดีกว่า linked lists และมีการดำเนินการที่มีประสิทธิภาพที่ทั้งสองปลาย การอภิปรายได้เน้นย้ำถึงการแลกเปลี่ยนประสิทธิภาพที่สำคัญ แนวทางของโครงสร้างในการย้ายองค์ประกอบไปยังตรงกลางระหว่างการปรับขนาดเกี่ยวข้องกับการคัดลอกที่ ring buffer แบบตรงไปตรงมาหลีกเลี่ยงได้

นักพัฒนาบางคนแนะนำว่าการทำดัชนีของ ring buffer อาจมีต้นทุนสูงกว่าเล็กน้อยเนื่องจากต้องใช้การแยกสาขาหรือการดำเนินการ modulus เพื่อจัดการการวนรอบ แต่คนอื่นๆ สังเกตว่าความแตกต่างเล็กๆ น้อยๆ เหล่านี้มักหายไปเนื่องจากการทำงานแบบ instruction pipelining หากไม่มีการเปรียบเทียบประสิทธิภาพที่ครอบคลุมในกรณีการใช้งานทั่วไป จึงยากที่จะกำหนดว่าแนวทางใดทำงานได้ดีกว่าในทางปฏิบัติ

แนวทางทางเลือก

การอภิปรายในเธรดเผยให้เห็นแนวทางทางเลือกหลายอย่างในการแก้ปัญหาที่คล้ายกัน นักพัฒนาคนหนึ่งอธิบายถึงเวกเตอร์สองทางที่รักษาพื้นที่ว่างไว้ที่ทั้งสองปลาย โดยเก็บเพียงตัวชี้และความยาวสามค่า (ขนาดรวม 32 ไบต์เทียบกับขนาดปกติของ Vec ที่ 24 ไบต์) อีกคนหนึ่งกล่าวถึงการใช้เทคนิคการแมปหน่วยความจำเพื่อสร้าง ring buffer ที่มีมุมมองต่อเนื่อง แม้ว่าแนวทางนี้จะมีข้อจำกัดของตัวเองที่เกี่ยวข้องกับขนาดหน้าและค่าโสหุ้ยของระบบคอล

Shift-To-Middle Array เป็นการเพิ่มเติมที่น่าสนใจให้กับภูมิทัศน์ของโครงสร้างข้อมูล แต่การใช้งานในปัจจุบันยังไม่เพียงพอสำหรับกรณีการใช้งานทั่วไป เช่นเดียวกับโครงสร้างข้อมูลเฉพาะทางอื่นๆ ทางเลือกที่เหมาะสมที่สุดขึ้นอยู่กับความต้องการเฉพาะของแอปพลิเคชัน รูปแบบการเข้าถึง และลักษณะประสิทธิภาพ นักพัฒนาที่พิจารณาโครงสร้างนี้ควรประเมินอย่างรอบคอบว่าประโยชน์ของมันมีมากกว่าข้อจำกัดที่ระบุไว้หรือไม่ โดยเฉพาะอย่างยิ่งพฤติกรรมการเติบโตที่น่ากังวลสำหรับการดำเนินการแบบคิว

อ้างอิง: Shift-To-Middle Array