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# 跨语言 SDK 实现指南：数据传递与序列化
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## 背景
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Structrail 平台的核心目标是提供一套**语言无关**的数据结构可视化协议。这意味着我们的 SDK 需要在不同特性的编程语言中（从高动态的 Python/JS 到静态底层的 C/C++）提供一致的功能体验。
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其中，`preset` 指令（一次性同步数组/容器状态）在静态类型语言（特别是 C 语言）中的实现是最大的挑战。本文档旨在论证其可行性，并为未来各语言 SDK 的实现提供参考规范。
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## 核心挑战：数组的异构性
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在动态语言（TS, Python）中，数组是自描述的对象，包含长度和元素类型信息。
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在静态托管语言（Java, C#, Go）中，数组/列表也是对象，具备反射或自省能力。
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在 C/C++ 中，原生数组仅仅是内存地址（指针），且 C 语言完全丢失了长度和类型信息。
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## 通用解决方案：SDK 接口分层
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为了抹平差异，我们建议 SDK 接口设计遵循\*\*“渐进式暴露”\*\*原则：
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1. **Level 1: 智能推断接口**（针对 TS, Python, Java 等）
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* 用户直接传数组对象。
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* SDK 内部自动获取长度、遍历序列化。
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2. **Level 2: 显式元数据接口**（针对 C++, Go, Rust 等）
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* 用户传递数据指针 + 长度。
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* 利用泛型/模板自动推导元素序列化逻辑。
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3. **Level 3: 手动序列化接口**（针对 C 语言）
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* 用户传递数据指针 + 长度 + 元素大小 + 序列化策略。
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## 各语言实现参考
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### 1. TypeScript / JavaScript (已实现)
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利用语言的动态特性，直接接受 `any[]`。
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```typescript
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// SDK
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preset(data: T[]) {
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// JSON.stringify 天然支持数组序列化
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this.emit('preset', { data });
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}
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```
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### 2. Java / C# / Python
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利用标准库的反射或序列化能力。
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**Java 示例**:
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```java
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// SDK
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public <T> void preset(List<T> data) {
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// 使用 Jackson 或 Gson 库
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String json = gson.toJson(data);
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this.emit("preset", json);
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}
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```
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### 3. C++ (Modern C++)
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利用模板和 STL 容器特性。
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**C++ 示例**:
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```cpp
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// 针对 std::vector 的重载
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template<typename T>
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void preset(const std::vector<T>& data) {
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json j = data; // 使用 nlohmann/json 库，自动支持 STL 容器
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emit("preset", j);
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}
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// 针对原生数组的重载 (C++20 std::span 最佳，或传指针+长度)
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template<typename T>
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void preset(const T* arr, size_t size) {
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std::vector<T> vec(arr, arr + size);
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preset(vec);
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}
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```
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### 4. C 语言 (重点攻坚)
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C 语言没有泛型，没有反射，没有对象。我们需要用户手动提供元数据。
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#### 方案 A: 宏魔法 (Generic Selection) - 推荐用于基础类型
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利用 C11 `_Generic` 关键字模拟函数重载，提升基础类型的使用体验。
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```c
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// 底层 API
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void _tracer_preset_int(tracer_t* t, int* arr, size_t len);
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void _tracer_preset_float(tracer_t* t, float* arr, size_t len);
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// 用户宏接口
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#define tracer_preset(t, arr, len) _Generic((arr), \
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int*: _tracer_preset_int, \
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float*: _tracer_preset_float \
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)(t, arr, len)
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// 用户调用
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int nums[] = {1, 2, 3};
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tracer_preset(t, nums, 3); // 自动匹配 int 版本
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```
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#### 方案 B: 格式化字符串 (Printf Style) - 推荐用于复杂类型
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对于结构体或未覆盖的基础类型，采用类似 `printf` 的描述符。
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```c
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/**
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* @param elem_fmt: 元素类型描述符
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* "d": int
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* "f": float
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* "s": string
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* "{x:d,y:d}": struct Point {int x; int y}
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*/
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void tracer_preset_fmt(tracer_t* t, void* data, size_t len, size_t elem_size, const char* elem_fmt);
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// 用户调用
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struct Point pts[] = {{1,2}, {3,4}};
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tracer_preset_fmt(t, pts, 2, sizeof(struct Point), "{x:d,y:d}");
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```
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#### 方案 C: 回调函数 (Callback) - 兜底方案
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万能方案，用户自己负责把元素转成字符串。
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```c
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typedef void (*serializer_func)(void* elem, char* buffer);
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void tracer_preset_cb(tracer_t* t, void* data, size_t len, size_t elem_size, serializer_func cb);
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// 用户调用
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// 1. 用户定义序列化器
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void my_int_serializer(void* elem, char* buffer) {
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sprintf(buffer, "%d", *(int*)elem);
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}
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// 2. 传递给 SDK
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int nums[] = {1, 2, 3};
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tracer_preset_cb(t, nums, 3, sizeof(int), my_int_serializer);
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```
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## 协议一致性保障
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无论采用哪种语言实现，生成的 JSON 指令必须严格一致：
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```json
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{
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"type": "ArrayTracer",
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"tracer": "uuid-...",
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"action": "preset",
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"params": {
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"data": [1, 2, 3, 4] // 或者是 [{"x":1,"y":2}, ...]
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}
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}
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```
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这意味着 C 语言 SDK 内部必须手动拼接 JSON 字符串（`[` + `elem` + `,` + `elem` + `]`）。
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## 结论
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1. **`preset`** **指令是可移植的**：即使在最底层的 C 语言中，通过适当的 API 封装（宏或格式化串），也能实现与高级语言近似的开发体验。
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2. **不要为了 C 语言阉割协议**：不需要因为 C 语言处理数组麻烦，就放弃 `preset` 而强迫所有语言都用 `patch` 循环。SDK 应该把复杂性封装在内部，留给用户简洁的接口。
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# 多语言 SDK 初始化设计规范
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## 背景
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为了简化 SDK 的使用流程并统一 API 设计体验，我们决定将 Tracer 的初始化数据（Initial Data）合并到创建（Create）阶段。这意味着用户在实例化 Tracer 时，可以直接传入初始数据，而无需单独调用 `preset` 方法。
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这一设计模式（Construct as Initialize）在大多数现代编程语言中都有成熟的最佳实践。本文档旨在为不同语言的 SDK 实现提供具体的代码范式参考。
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## 核心原则
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1. **优先使用构造函数参数**：如果语言支持（如 Python, Kotlin, Swift），优先使用带默认值的命名参数。
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2. **利用语言特性**：
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- **重载 (Overloading)**：适用于 Java, C++, C#。
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- **配置对象 (Options Object)**：适用于 TS, JS, Lua。
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- **Builder / Functional Options**：适用于 Go, Rust。
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3. **保持协议底层一致**：无论上层 API 如何设计，底层生成的 `create` 指令 JSON 必须包含 `array` (或对应数据字段) 参数。
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## 各语言实现参考
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### 1. TypeScript / JavaScript (当前基准)
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利用接口（Interface）定义配置对象，简洁且扩展性强。
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```typescript
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// 定义
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interface ArrayTracerOptions<T> {
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description: string;
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array?: T[]; // 可选初始化数据
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}
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export const createArrayTracer = <T>(options: ArrayTracerOptions<T>) => { ... }
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// 调用
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const t1 = createArrayTracer({ description: "Empty" });
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const t2 = createArrayTracer({
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description: "My Array",
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array: [1, 2, 3]
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});
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```
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### 2. Python (Keyword Arguments)
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利用 `**kwargs` 或显式关键字参数，非常符合 Pythonic 风格。
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```python
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class ArrayTracer:
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def __init__(self, description: str, data: list = None):
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self.description = description
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if data:
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self._emit_create(data)
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# 调用
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t1 = ArrayTracer(description="Empty")
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t2 = ArrayTracer(description="My Array", data=[1, 2, 3])
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```
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### 3. Java (Constructor Overloading)
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利用构造函数重载提供多种初始化路径。
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```java
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public class ArrayTracer<T> {
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// 构造函数 1: 仅描述
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public ArrayTracer(String description) {
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this(description, null);
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}
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// 构造函数 2: 描述 + 数据
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||||
public ArrayTracer(String description, List<T> data) {
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||||
// ... implementation
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||||
}
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||||
}
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// 调用
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var t1 = new ArrayTracer<Integer>("Empty");
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var t2 = new ArrayTracer<Integer>("My Array", Arrays.asList(1, 2, 3));
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```
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### 4. C++ (Overloading & Initializer List)
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利用 `std::initializer_list` 支持花括号初始化，语法极其简洁。
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```cpp
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template <typename T>
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class ArrayTracer {
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public:
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// 基础构造
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ArrayTracer(std::string description) { ... }
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// 带数据构造 (支持 vector)
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ArrayTracer(std::string description, const std::vector<T>& data) { ... }
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// 带数据构造 (支持 {1,2,3} 字面量)
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ArrayTracer(std::string description, std::initializer_list<T> data) { ... }
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};
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// 调用
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ArrayTracer<int> t1("Empty");
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ArrayTracer<int> t2("My Array", {1, 2, 3});
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```
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### 5. Go (Functional Options Pattern)
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Go 社区处理复杂构造参数的标准模式。
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```go
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type Option func(*ArrayTracer)
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func WithData(data []interface{}) Option {
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return func(t *ArrayTracer) {
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t.initialData = data
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}
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}
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||||
func NewArrayTracer(desc string, opts ...Option) *ArrayTracer {
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t := &ArrayTracer{Description: desc}
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for _, opt := range opts {
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opt(t)
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}
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||||
return t
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||||
}
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// 调用
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t1 := NewArrayTracer("Empty")
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t2 := NewArrayTracer("My Array", WithData([]interface{}{1, 2, 3}))
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```
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### 6. Rust (Builder Pattern)
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利用 Builder 模式处理构造参数，保证类型安全和可读性。
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```rust
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struct ArrayTracerBuilder { ... }
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impl ArrayTracer {
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pub fn builder(description: &str) -> ArrayTracerBuilder { ... }
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}
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impl ArrayTracerBuilder {
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pub fn with_data(mut self, data: Vec<i32>) -> Self { ... }
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pub fn build(self) -> ArrayTracer { ... }
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}
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// 调用
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let t = ArrayTracer::builder("My Array")
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.with_data(vec![1, 2, 3])
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.build();
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```
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### 7. C# (Optional Arguments)
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类似于 TypeScript 和 Kotlin，C# 支持命名参数和默认值。
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```csharp
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public class ArrayTracer<T> {
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public ArrayTracer(string description, IEnumerable<T> data = null) {
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// ...
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}
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}
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// 调用
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var t1 = new ArrayTracer<int>("Empty");
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var t2 = new ArrayTracer<int>("My Array", data: new[] { 1, 2, 3 });
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```
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### 8. C 语言 (Special Case)
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C 语言不支持重载，且缺乏自省能力，因此建议提供两种创建模式：
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**方案 A: 基础数据类型 (使用宏或特定后缀)**
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对于 `int`, `float` 等基础类型，提供专用函数。
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```c
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// 基础创建
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tracer_t* tracer_create_array(const char* desc);
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// 带数据创建 (Explicit is better than implicit)
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tracer_t* tracer_create_array_with_data(const char* desc, void* data, size_t len);
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// 调用
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tracer_t* t1 = tracer_create_array("Empty");
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int nums[] = {1, 2, 3};
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tracer_t* t2 = tracer_create_array_with_data("My Array", nums, 3);
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```
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**方案 B: 自定义结构体 (Callback 模式)**
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对于用户自定义的 `struct`，采用类似 `qsort` 的回调函数模式，让用户提供序列化逻辑。
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```c
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// 定义序列化回调: 将 elem 转换为 JSON 字符串写入 buffer
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typedef void (*serializer_func)(const void* elem, char* buffer);
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/**
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* @param serializer 用户提供的序列化函数
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*/
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tracer_t* tracer_create_array_custom(
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const char* desc,
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const void* data,
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size_t len,
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size_t elem_size,
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serializer_func serializer
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);
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// 用户代码示例
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typedef struct { int x; int y; } Point;
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// 用户编写序列化逻辑
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void point_serializer(const void* elem, char* buffer) {
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const Point* p = (const Point*)elem;
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sprintf(buffer, "{\"x\":%d,\"y\":%d}", p->x, p->y);
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}
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// 调用
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Point pts[] = {{1,2}, {3,4}};
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tracer_t* t = tracer_create_array_custom("Points", pts, 2, sizeof(Point), point_serializer);
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```
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## 总结
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通过统一采用**“构造即初始化”**的设计模式，我们能够在几乎所有主流编程语言中提供一致、简洁且符合语言习惯（Idiomatic）的 SDK 使用体验。这不仅降低了用户的学习成本，也使得代码更加紧凑和易读。
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## 项目背景
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我正在设计一款数据结构与算法可视化平台（以下简称为“平台”），允许用户在平台上编写算法的实现代码，当用户提交代码后，平台会能够获取到代码中所涉及的数据结构的变化过程，并以可视化的形式来渲染整个变化过程，并且将数据结构的变化与代码的执行过程关联起来，给用户的感受就像是在调试代码一样，算法执行到某一步时，代码中的相关部分会高亮显示。用户可以在平台上通过“下一步”功能来查看算法的执行过程中每一个步骤所对应的数据结构变化，并且还可以具有“时间旅行”的功能，允许用户通过“上一步”功能来向前回溯算法的执行。此外，从长期规划和产品化的角度来说，平台还会支持添加对多种主流编程语言的支持。
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## 项目目标
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基于上述设想，我肯定无法接受从编译技术的角度去适配每一种编程语言(例如代码插桩甚至改造编译器)，因为这会导致平台的开发变得非常复杂，维护成本也会非常高。因此我的想法是设计一套语言无关的协议，用来描述各种数据结构的变化(跟踪器)，因此这套协议会定义需要支持的数据结构类型，以及每一种数据结构类型需要支持的操作指令，并且我倾向于将指令设计得更加“底层”一些，类似于“原语”的概念。
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> 例如针对顺序表结构，我可能会定义 pick(获取元素)、drop(取消获取)、patch(修改元素) 指令来替代 swap(交换元素) 操作，因为交换两个元素的本质就是 获取元素 + 修改元素，而我在其中添加 drop 指令的目的则是使可视化过程更加具体，例如 pick 指令会将其选定的元素高亮，那么 drop 指令就可以取消该元素的高亮行为。
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我们会先选取一种编程语言(例如 TypeScript)来实现这套协议，在实现的过程中，需要考虑到未来将添加其他编程语言的支持，因此需要考虑到不同编程语言之间的差异，例如语法/类型系统差异，进而反过来优化这套协议，以使其能够更好地支持不同的编程语言，这是一个双向的过程。
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当我们实现了这套协议后，就形成了一套 SDK，用户可以在平台中标记想要记录的数据结构(注册跟踪器)，并调用 SDK 提供的 API 来记录数据结构的变化，当代码被编译运行后，就能够自然地获取数据结构的变化过程(序列化为 JSON)。
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所以本项目的最终目标就是设计这一套语言无关的协议，并在多个主流编程语言上实现该协议。
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我正在设计一个数据结构与算法可视化平台，在我的设想中，平台会提供一个代码编辑器，用户可以在其中编写算法的实现代码，当用户点击运行按钮时，平台会调用后端的编译器来执行用户编写的代码，获取到算法执行过程中所涉及的数据结构的变化，并将整个过程可视化地展示在平台中。
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从技术的角度，我希望它能够适配不同的编程语言，所以我不会考虑从编译技术的层面去适配不同的编程语言(例如自定义一个编译器)，而是考虑设计一套多语言的 SDK 来实现这一目标。从整体上来看，SDK 提供的 API 用于“标记”数据结构的操作，用户可以在算法的实现中调用这些 API 来标记数据结构的变化，这样在代码被编译运行后，就能够获取数据结构的变化过程(序列化为 JSON)。
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这样如果从用户的角度来看，用户可以几乎不修改算法的实现，而是只需要在合适的位置调用平台提供的 API 即可。
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这个项目是关于这个平台的多语言 SDK 设计与实现方案。
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项目中有这样一些概念：
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- Tracer: 用于记录数据结构的变化过程，每一种数据结构都有一个对应的 Tracer 类(ArrayTracer, StackTracer, QueueTracer, MatrixTracer, SortTracer, LinkTracer, TreeTracer, GraphTracer)。
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- Action: 用于描述数据结构的操作类型，每一种操作都有一个对应的 Action。
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- Command: 用于描述每一次数据结构操作的指令，一条指令包含了 tracer、action、params，并最终会序列化为 JSON。
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.trae/rules/tracer-type.md
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## Tracer 是什么？
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Tracer 代表一个数据结构变化的跟踪器，用户可以通过调用 Tracer 提供的 API 来记录数据结构的变化。每当用户想要记录一个数据结构的变化时，就需要创建一个对应的 Tracer。这种将数据结构变化的记录留给用户的设计，使得用户可以在算法的实现中灵活地记录数据结构的变化，从而降低对原有算法代码逻辑的侵入性，同时也在一定程度上提高了可视化效果的灵活度，用户可以自由控制记录数据结构变化的时机。
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## Tracer 类型
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- ArrayTracer: 顺序表(数组)
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- StackTracer: 栈
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- QueueTracer: 队列
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- MatrixTracer: 矩阵
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- SortTracer: 排序算法(也许可以合并到 ArrayTracer，暂时不确定)
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- LinkTracer: 链表
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- TreeTracer: 树
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- GraphTracer: 图
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- LogTracer: 日志
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- ControlTracer: 控制
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