C++ 中的向量實現
本文將演示如何在 C++ 中實現一個類似於 std::vector 的類。
使用 malloc 和 realloc 函式在 C++ 中實現自定義 vector 類
std::vector 容器被稱為動態 C 樣式陣列，它連續儲存其元素。儘管沒有強制執行確切的實現，但規範要求容器的某些功能。也就是說，向量應該是一個有序的資料結構，並提供對其元素的隨機訪問。其他功能可以表示為作為介面公開的公共成員函式，其中一些我們將在以下示例中實現。請注意，實際的 std::vector 實現可能會非常廣泛，因此我們只是展示了讀者可能會新增更多功能的起點。
首先，我們需要定義一個 MyVector 類作為可以儲存任何泛型型別的函式模板。然後我們可以包含核心資料成員，如指向元素陣列的指標和整數物件，以相應地儲存大小/容量。請記住，為了獲得更好的效能，std::vector 可能會分配比儲存元素更大的記憶體塊。分配的記憶體大小稱為向量的容量，我們將其儲存在 cap 資料成員中。一旦構建了新的 MyVector 物件並將當前元素設定為零，我們將分配固定數量（20 個物件）。
請注意，我們使用了 malloc 函式，這在當代 C++ 中可能被認為是有害的，但如果謹慎使用，它會提供靈活性和良好的效能。此外，使用 malloc 分配的記憶體可以使用 realloc 函式進行擴充套件，我們將需要它來管理陣列的大小調整。
總的來說，我們的類包含三個成員函式和 [] 運算子，它們構成了動態向量的基礎。以下示例程式碼演示了 push_back、size 和 operator[] 函式實現。後兩者非常直觀且易於理解，而 push_back 可能需要一些解釋。
請注意，當元素數量超過容量時，我們只需要在構造物件後分配新的記憶體區域。因此，對於 push_back 函式中的每個場景，我們需要兩個單獨的路徑，其中一個將呼叫 realloc 函式來擴充套件當前記憶體塊。realloc 接受兩個引數：指向前一個記憶體區域的指標和新區域的大小（以位元組為單位）。如果呼叫成功，則返回一個有效指標，與前一個指標相同或一個新指標，具體取決於在同一塊中是否可以找到足夠的記憶體。否則，返回 NULL 指標以表示請求失敗。
#include <iostream>
#include <string>
using std::cin;
using std::cout;
using std::endl;
using std::string;
template <typename T>
class MyVector {
public:
MyVector() {
cap = alloc;
vector = (T *)malloc(sizeof(T) * alloc);
elem_num = 0;
};
void push_back(const T &data);
void pop_back();
[[nodiscard]] bool empty() const;
[[nodiscard]] size_t size() const;
[[nodiscard]] size_t capacity() const;
T &operator[](size_t pos);
~MyVector();
private:
T *vector = nullptr;
size_t cap;
size_t elem_num;
const int alloc = 20;
};
template <typename T>
MyVector<T>::~MyVector() {
free(vector);
}
template <typename T>
void MyVector<T>::push_back(const T &data) {
if (elem_num < cap) {
*(vector + elem_num) = data;
elem_num++;
} else {
vector = (T *)realloc(vector, sizeof(T) * cap * 2);
cap *= 2;
if (vector) {
*(vector + elem_num) = data;
elem_num++;
}
}
}
template <typename T>
void MyVector<T>::pop_back() {
if (empty()) return;
elem_num--;
}
template <typename T>
T &MyVector<T>::operator[](size_t pos) {
if (pos >= 0 && pos <= elems) return *(this->arr + pos);
throw std::out_of_range("Out of bounds element access");
}
template <typename T>
size_t MyVector<T>::capacity() const {
return cap;
}
template <typename T>
bool MyVector<T>::empty() const {
return elem_num == 0;
}
template <typename T>
size_t MyVector<T>::size() const {
return elem_num;
}
struct MyClass {
int num;
double num2;
};
int main() {
MyVector<MyClass> m1;
m1.push_back({1, 1.1});
m1.push_back({1, 1.2});
m1.push_back({1, 1.3});
m1.push_back({1, 1.4});
for (size_t i = 0; i < m1.size(); ++i) {
cout << m1[i].num << ", " << m1[i].num2 << endl;
}
cout << "/ ------------------- /" << endl;
m1.pop_back();
m1.pop_back();
for (size_t i = 0; i < m1.size(); ++i) {
cout << m1[i].num << ", " << m1[i].num2 << endl;
}
return EXIT_SUCCESS;
}
輸出：
1, 1.1
1, 1.2
1, 1.3
1, 1.4
/ ------------------- /
1, 1.1
1, 1.2
為了測試 MyVector 類，我們在 main 函式中包含了一些驅動程式程式碼，並定義了 MyClass 自定義物件以儲存為元素。最後，我們新增了 pop_back 函式，用於刪除向量後面的元素。pop_back 函式不需要釋放或刪除元素內容。它可以在每次呼叫時將 elem_num 成員減一，下一次 push_back 呼叫將重寫丟棄的元素位置。一旦物件超出範圍，釋放記憶體塊也很重要。因此，我們需要在類的解構函式中包含對 free 函式的呼叫。
#include <iostream>
#include <string>
using std::cin;
using std::cout;
using std::endl;
using std::string;
template <typename T>
class MyVector {
public:
MyVector() {
arr = new T[default_capacity];
cap = default_capacity;
elems = 0;
};
void push_back(const T &data);
void pop_back();
[[nodiscard]] bool empty() const;
[[nodiscard]] size_t size() const;
[[nodiscard]] size_t capacity() const;
T &operator[](size_t pos);
~MyVector();
private:
T *arr = nullptr;
size_t cap;
size_t elems;
const int default_capacity = 20;
};
template <typename T>
MyVector<T>::~MyVector() {
delete[] arr;
}
template <typename T>
void MyVector<T>::push_back(const T &data) {
if (elems < cap) {
*(arr + elems) = data;
elems++;
} else {
auto tmp_arr = new T[cap * 2];
cap *= 2;
for (int i = 0; i < elems; i++) {
tmp_arr[i] = arr[i];
}
delete[] arr;
arr = tmp_arr;
*(arr + elems) = data;
elems++;
}
}
template <typename T>
T &MyVector<T>::operator[](size_t pos) {
if (pos >= 0 && pos <= elems) return *(this->arr + pos);
throw std::out_of_range("Out of bounds element access");
}
template <typename T>
size_t MyVector<T>::size() const {
return elems;
}
template <typename T>
size_t MyVector<T>::capacity() const {
return cap;
}
template <typename T>
void MyVector<T>::pop_back() {
if (empty()) return;
elems--;
}
template <typename T>
bool MyVector<T>::empty() const {
return elems == 0;
}
struct MyClass {
string name;
double num;
};
int main() {
MyVector<MyClass> m1;
m1.push_back({"one", 1.1});
m1.push_back({"two", 1.2});
m1.push_back({"three", 1.3});
m1.push_back({"four", 1.4});
for (size_t i = 0; i < m1.size(); ++i) {
cout << m1[i].name << ", " << m1[i].num << endl;
}
cout << "/ ------------------- /" << endl;
m1.pop_back();
m1.pop_back();
for (size_t i = 0; i < m1.size(); ++i) {
cout << m1[i].name << ", " << m1[i].num << endl;
}
return EXIT_SUCCESS;
}
輸出：
one, 1.1
two, 1.2
three, 1.3
four, 1.4
/ ------------------- /
one, 1.1
two, 1.2
