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C++模板以及实现vector C++模板以及实现vector实例详解

~怎么回事啊~ 人气:0
想了解C++模板以及实现vector实例详解的相关内容吗，~怎么回事啊~在本文为您仔细讲解C++模板以及实现vector的相关知识和一些Code实例，欢迎阅读和指正，我们先划重点：c++,模板,c++模板使用,C++,实现vector，下面大家一起来学习吧。

函数模板

函数模板：是不进行编译的，因为类型还不知道

模板的实例化：函数调用点进行实例化

模板函数：才是要被编译器所编译的

模板类型参数：typyname/class

模板非类型参数：模板非类型形参的详细阐述

模板的实参推演:可以根据用户传入的实参的类型，来推导出模板类型参数的具体

模板的特例化（专用化）的实例化

模板函数、模板的特例化和非模板函数的重载关系：候选的函数中，优先在精确匹配中选择，优先选择普通函数，特例性更强的模版函数次之，然后是模版函数的特化版本，最后才是泛化版本。

模板代码是不能声明在.h，实现在.cpp，模板代码调用之前，一定要看到模板定义的地方，这样的话，模板才能够正常的实例化，产生能够被编译器编译的代码。模板代码都是放在头文件中，然后在源文件中直接进行#include

#define  _CRT_SECURE_NO_WARNINGS
#include <iostream>
 
//函数模板
template<typename T> //定义一个模板参数列表
bool compare(T a, T b) {//compare 是一个函数模板
  std::cout << "template compare\n";
  return a > b;
}
/*
  在函数调用点，编译器用用户指定的类型，从原模板实例化一份函数代码出来：
  模板函数：
bool compare<int>(int a, int b) {
  return a > b;
}
bool compare<double>(double a, double b) {
  return a > b;
}
*/
 
//模板特例化： 针对compare函数模板，提供const char * 类型的特例化版本
template<>
bool compare<const char *>(const char* a, const char * b) {
  std::cout << "const char * compare\n";
  return strcmp(a, b) > 0;
}
 
//非模板函数，普通函数
bool compare(const char* a, const char * b) {
  std::cout << "normal compare\n";
  return strcmp(a, b) > 0;
}
 
int main()
{
  std::cout << compare<int>(1, 2) << std::endl;
  std::cout << compare<double>(1, 2) << std::endl;
  std::cout << compare(1, 2) << std::endl;//模板的实参推演 可以根据用户传入的实参的类型，来推导模板类型参数
  //编译器优先把compare处理成函数名，没有的话，才去找compare模板
  std::cout << compare("a", "b") << std::endl;//
  return 0;
}

类模板

实现一个顺序栈

#define  _CRT_SECURE_NO_WARNINGS
#include <iostream>
 
template<typename T>
class  SeqStack
{
public:
  //构造和析构函数名不加<T> 其他出现模板的地方都加上类型参数列表
  SeqStack(int size = 10)
    :pstack_(new T[size])
  ,top_(0)
  ,size_(size){
    //初始化生成的指令更少，效率更高。仅调用默认构造函数（如果存在类成员）。赋值需要调用默认构造函数和赋值运算符
  }
  ~SeqStack() {
    if (pstack_) {
      delete[] pstack_;
      pstack_ = nullptr;
    }
  }
 
  SeqStack(const SeqStack<T>& stack)
    :top_(stack.top_),
    size_(stack.size_){
    pstack_ = new T[stack.size_];
    for (int i = 0; i < top_; ++i) {
      pstack_[i] = stack.pstack_[i];
    }
  }
  SeqStack<T>& operator=(const  SeqStack<T>&stack) {
    if (this == &stack) {
      return *this;
    }
 
    delete[] pstack_;
 
    top_ = stack.top_;
    size_ = stack.size_;
    pstack_ = new T[stack.size_];
    for (int i = 0; i < top_; ++i) {
      pstack_[i] = stack.pstack_[i];
    }
 
  }
 
  void push(const T& val) {
    if (full()) {
      resize();
    }
    pstack_[top_] = val;
    top_++;
  }
  void pop() {
    if (empty()) {
      return;
    }
    top_--;
  }
  T top() const {
    if (empty()) {
      throw "stack is empty";
    }
    return pstack_[top_-1];
  }
  bool full() const {
    return top_ == size_;
  }
  bool empty() const {
    return top_ == 0;
  }
protected:
 
 
private:
  void resize() {
    T * p = new T[size_ * 2];
    for (int i = 0; i < top_; ++i) {
      p[i] = pstack_[i];
    }
 
    size_ *= 2;
    delete pstack_;
    pstack_ = p;
  }
 
  T * pstack_;
  int top_;
  int size_;
};
 
int main()
{
  SeqStack<int> stack;
  for (int i = 0; i < 8; ++i) {
    stack.push(i);
  }
 
  while (!stack.empty())
  {
    std::cout << stack.top() << " ";
    stack.pop();
  }
  return 0;
}

Vector实现

        vector 的本质是一个数组，在vector 中需要有三个指针：

_first :指向数组的起始位置

_last:指向已经存放的最后一个元素的下一个位置

_end:指向数组长度的末尾元素的下一个位置。

数组的容量=_end-_first

数组中存放的元素个数=_last-_first

数组是否为空:_first == _last

数组是否已满：_last == _end

简单的类模板实现代码及测试：

#define  _CRT_SECURE_NO_WARNINGS
#include <iostream>
 
template<typename T>
class vector
{
public:
  vector(int size = 10)
  {
    _first = new T[size];
    _last = _first;
    _end = _first + size;
  }
  ~vector()
  {
    delete[]_first;
    _first = _end = _last = nullptr;
  }
  vector(const vector<T>& rhs)
  {
    int size = rhs._end - rhs._first;
    _first = new T[size];
    int len = rhs._last - rhs._first;
    for (int i = 0; i < len; ++i)
    {
      _first[i] = rhs._first[i];
    }
    _last = _first + len;
    _end = _first + size;
  }
  vector<T>& operator=(const vector<T>& rhs)
  {
    if (this == &rhs)
      return *this;
 
    delete[]_first;
 
 
    int size = rhs._end - rhs._first;
    _first = new T[size];
    int len = rhs._last - rhs._first;
    for (int i = 0; i < len; ++i)
    {
      _first[i] = rhs._first[i];
    }
    _last = _first + len;
    _end = _first + size;
    return *this;
  }
  void push_back(const T& val) // 向容器末尾添加元素
  {
    if (full())
      expand();
    *_last++ = val;
  }
  void pop_back() // 从容器末尾删除元素
  {
    if (empty())
      return;
    --_last;
  }
  T back()const // 返回容器末尾的元素的值
  {
    return *(_last - 1);
  }
  bool full()const { return _last == _end; }
  bool empty()const { return _first == _last; }
  int size()const { return _last - _first; }
private:
  T* _first; // 指向数组起始的位置
  T* _last;  // 指向数组中有效元素的后继位置
  T* _end;   // 指向数组空间的后继位置
 
  void expand() // 容器的二倍扩容
  {
    int size = _end - _first;
    T *ptmp = new T[2 * size];
    for (int i = 0; i < size; ++i)
    {
      ptmp[i] = _first[i];
    }
    delete[]_first;
    _first = ptmp;
    _last = _first + size;
    _end = _first + 2 * size;
  }
};
 
 
class Test
{
public:
  Test() { std::cout << "Test()" << std::endl; }
  Test& operator=(const Test&t) { std::cout << "operator=" << std::endl; return *this; }
  ~Test() { std::cout << "~Test()" << std::endl; }
  Test(const Test&) { std::cout << "Test(const Test&)" << std::endl; }
};
 
 
int main()
{
  Test t1, t2;
  std::cout << "vector<Test> vec" << std::endl;
  vector<Test> vec;
  std::cout << "vector<Test> vec; push_back" << std::endl;
 
  vec.push_back(t1);
  vec.push_back(t2);
 
  std::cout << "vector<Test> vec; pop_back" << std::endl;
  vec.pop_back();
  return 0;
}

问题：在我们实现的vector构造函数中，使用new T[size]  ：它做了两件事情

（1）开辟内存空间

（2）调用T类型的默认构造函数构造对象

其中第二步是一种浪费，因为我还没在vector 添加元素，提前构造一遍对象 然后在析构时候是否纯属多余。

同时：在实现pop_back(）时，存在内存泄漏

  void pop_back() // 从容器末尾删除元素
  {
    if (empty())
      return;
    --_last;
  }

T

 仅仅将_last指针 --，并没有释放Test申请的资源。需要调用对象的析构函数

win msvc编译器的实现：

 
		// CLASS TEMPLATE vector
template<class _Ty,
	class _Alloc = allocator<_Ty>>
	class vector
		: public _Vector_alloc<_Vec_base_types<_Ty, _Alloc>>
	{	// varying size array of values
private:
	using _Mybase = _Vector_alloc<_Vec_base_types<_Ty, _Alloc>>;
	using _Alty = typename _Mybase::_Alty;
	using _Alty_traits = typename _Mybase::_Alty_traits;
......

系统的实现，除了数据类型外，还有一个allocator,它将开辟空间和构造对象分离开。

而这，也就是空间配置器做的工作；

容器的空间配置器

空间配置器主要有四个功能：

  1. 内存开辟 allocate（底层调用malloc）；
  2. 内存释放 deallocate（底层调用free）；
  3. 对象构造 construct（调用构造函数）；
  4. 对象析构 destroy（调用析构函数
// 定义容器的空间配置器，和C++标准库的allocator实现一样
template<typename T>
struct Allocator
{
	T* allocate(size_t size) // 负责内存开辟
	{
		return (T*)malloc(sizeof(T) * size);
	}
	void deallocate(void* p) // 负责内存释放
	{
		free(p);
	}
	void construct(T* p, const T& val) // 负责对象构造
	{
		new (p) T(val); // 定位new
	}
	void destroy(T* p) // 负责对象析构
	{
		p->~T(); // ~T()代表了T类型的析构函数
	}
};

修改后的vector

 
#include <iostream>
// 定义容器的空间配置器，和C++标准库的allocator实现一样
template<typename T>
class Allocator
{
public:
  T* allocate(size_t size) // 负责内存开辟
  {
    return (T*)malloc(sizeof(T) * size);
  }
  void deallocate(void* p) // 负责内存释放
  {
    free(p);
  }
  void construct(T* p, const T& val) // 负责对象构造
  {
    new (p) T(val); // 定位new
  }
  void destroy(T* p) // 负责对象析构
  {
    p->~T(); // ~T()代表了T类型的析构函数
  }
};
 
 
template<typename T, typename Alloc = Allocator<T>>
class vector
{
public:
  vector(int size = 10)
  {
    // 需要把内存开辟和对象构造分开处理
    _first = _allocator.allocate(size);
    _last = _first;
    _end = _first + size;
  }
  ~vector()
  {
    // 析构容器有效的元素，然后释放_first指针指向的堆内存
    for (T* p = _first; p != _last; ++p)
    {
      _allocator.destroy(p); // 把_first指针指向的数组的有效元素进行析构操作
    }
    _allocator.deallocate(_first); // 释放堆上的数组内存
    _first = _last = _end = nullptr;
  }
  vector(const vector<T>& rhs)
  {
    int size = rhs._end - rhs._first;
    _first = _allocator.allocate(size);
    int len = rhs._last - rhs._first;
    for (int i = 0; i < len; ++i)
    {
      _allocator.construct(_first + i, rhs._first[i]);
    }
    _last = _first + len;
    _end = _first + size;
  }
  vector<T>& operator=(const vector<T>& rhs)
  {
    if (this == &rhs)
      return *this;
 
    for (T* p = _first; p != _last; ++p)
    {
      _allocator.destroy(p); // 把_first指针指向的数组的有效元素进行析构操作
    }
    _allocator.deallocate(_first);
 
    int size = rhs._end - rhs._first;
    _first = _allocator.allocate(size);
    int len = rhs._last - rhs._first;
    for (int i = 0; i < len; ++i)
    {
      _allocator.construct(_first + i, rhs._first[i]);
    }
    _last = _first + len;
    _end = _first + size;
    return *this;
  }
  void push_back(const T& val) // 向容器末尾添加元素
  {
    if (full())
      expand();
 
    _allocator.construct(_last, val);
    _last++;
  }
  void pop_back() // 从容器末尾删除元素
  {
    if (empty())
      return;
 
    // 不仅要把_last指针--，还需要析构删除的元素
    --_last;
    _allocator.destroy(_last);
  }
  T back()const // 返回容器末尾的元素的值
  {
    return *(_last - 1);
  }
  bool full()const { return _last == _end; }
  bool empty()const { return _first == _last; }
  int size()const { return _last - _first; }
private:
  T* _first; // 指向数组起始的位置
  T* _last;  // 指向数组中有效元素的后继位置
  T* _end;   // 指向数组空间的后继位置
  Alloc _allocator; // 定义容器的空间配置器对象
 
  void expand() // 容器的二倍扩容
  {
    int size = _end - _first;
    T* ptmp = _allocator.allocate(2 * size);
    for (int i = 0; i < size; ++i)
    {
      _allocator.construct(ptmp + i, _first[i]);
    }
    for (T* p = _first; p != _last; ++p)
    {
      _allocator.destroy(p);
    }
    _allocator.deallocate(_first);
    _first = ptmp;
    _last = _first + size;
    _end = _first + 2 * size;
  }
};
 
 
class Test
{
public:
  Test() { std::cout << "Test()" << std::endl; }
  Test& operator=(const Test&t) { std::cout << "operator=" << std::endl; return *this; }
  ~Test() { std::cout << "~Test()" << std::endl; }
  Test(const Test&) { std::cout << "Test(const Test&)" << std::endl; }
};
 
 
int main()
{
  Test t1, t2;
  std::cout << "vector<Test> vec" << std::endl;
  vector<Test> vec;
  std::cout << "vector<Test> vec; push_back" << std::endl;
 
  vec.push_back(t1);
  vec.push_back(t2);
 
  std::cout << "vector<Test> vec; pop_back" << std::endl;
  vec.pop_back();
 
  std::cout << "end" << std::endl;
  return 0;
}

 现在的效果就和msvc实现的vector相同了

运算符重载与迭代器实现

  /************************************************************************/
  /* 
  迭代器一般实现成容器的嵌套类型
  */
  /************************************************************************/
  class iterator
  {
  public:
    iterator(T*p=nullptr) :_ptr(p) {}
    iterator(const iterator& iter) :_ptr(iter._ptr) {}
    //前置++
    iterator& operator++() {
      _ptr++;
      return *this;
    }
 
    //后置++
    iterator operator++(int) {
      iterator tmp(*this);
      _ptr++;
      return tmp;
    }
 
    //解引用
    T& operator*() {
      return *_ptr;
    }
 
    // !=
    bool operator!=(const iterator& iter)const {
      return _ptr != iter._ptr;
    }
 
  private:
    T * _ptr;
  };
 
  //迭代器方法
  iterator begin() { return iterator(_first); }
  iterator end() { return iterator(_last);}
 
  //运算符重载[]
  T& operator[](int index) {
    if (index < 0 || index >= size()) {
      throw "OutofRangeException";
    }
 
    return _first[index];
  }

最终vector的实现代码

 
#include <iostream>
// 定义容器的空间配置器，和C++标准库的allocator实现一样
template<typename T>
class Allocator
{
public:
  T* allocate(size_t size) // 负责内存开辟
  {
    return (T*)malloc(sizeof(T) * size);
  }
  void deallocate(void* p) // 负责内存释放
  {
    free(p);
  }
  void construct(T* p, const T& val) // 负责对象构造
  {
    new (p) T(val); // 定位new
  }
  void destroy(T* p) // 负责对象析构
  {
    p->~T(); // ~T()代表了T类型的析构函数
  }
};
 
 
template<typename T, typename Alloc = Allocator<T>>
class vector
{
public:
  vector(int size = 10)
  {
    // 需要把内存开辟和对象构造分开处理
    _first = _allocator.allocate(size);
    _last = _first;
    _end = _first + size;
  }
  ~vector()
  {
    // 析构容器有效的元素，然后释放_first指针指向的堆内存
    for (T* p = _first; p != _last; ++p)
    {
      _allocator.destroy(p); // 把_first指针指向的数组的有效元素进行析构操作
    }
    _allocator.deallocate(_first); // 释放堆上的数组内存
    _first = _last = _end = nullptr;
  }
  vector(const vector<T>& rhs)
  {
    int size = rhs._end - rhs._first;
    _first = _allocator.allocate(size);
    int len = rhs._last - rhs._first;
    for (int i = 0; i < len; ++i)
    {
      _allocator.construct(_first + i, rhs._first[i]);
    }
    _last = _first + len;
    _end = _first + size;
  }
  vector<T>& operator=(const vector<T>& rhs)
  {
    if (this == &rhs)
      return *this;
 
    for (T* p = _first; p != _last; ++p)
    {
      _allocator.destroy(p); // 把_first指针指向的数组的有效元素进行析构操作
    }
    _allocator.deallocate(_first);
 
    int size = rhs._end - rhs._first;
    _first = _allocator.allocate(size);
    int len = rhs._last - rhs._first;
    for (int i = 0; i < len; ++i)
    {
      _allocator.construct(_first + i, rhs._first[i]);
    }
    _last = _first + len;
    _end = _first + size;
    return *this;
  }
  void push_back(const T& val) // 向容器末尾添加元素
  {
    if (full())
      expand();
 
    _allocator.construct(_last, val);
    _last++;
  }
  void pop_back() // 从容器末尾删除元素
  {
    if (empty())
      return;
 
    // 不仅要把_last指针--，还需要析构删除的元素
    --_last;
    _allocator.destroy(_last);
  }
  T back()const // 返回容器末尾的元素的值
  {
    return *(_last - 1);
  }
  bool full()const { return _last == _end; }
  bool empty()const { return _first == _last; }
  int size()const { return _last - _first; }
 
  //运算符重载[]
  T& operator[](int index) {
    if (index < 0 || index >= size()) {
      throw "OutofRangeException";
    }
 
    return _first[index];
  }
 
  /************************************************************************/
  /* 
  迭代器一般实现成容器的嵌套类型
  */
  /************************************************************************/
  class iterator
  {
  public:
    iterator(T*p=nullptr) :_ptr(p) {}
    iterator(const iterator& iter) :_ptr(iter._ptr) {}
    //前置++
    iterator& operator++() {
      _ptr++;
      return *this;
    }
 
    //后置++
    iterator operator++(int) {
      iterator tmp(*this);
      _ptr++;
      return tmp;
    }
 
    //解引用
    T& operator*() {
      return *_ptr;
    }
 
    // !=
    bool operator!=(const iterator& iter)const {
      return _ptr != iter._ptr;
    }
 
  private:
    T * _ptr;
  };
 
  //迭代器方法
  iterator begin() { return iterator(_first); }
  iterator end() { return iterator(_last);}
private:
  T* _first; // 指向数组起始的位置
  T* _last;  // 指向数组中有效元素的后继位置
  T* _end;   // 指向数组空间的后继位置
  Alloc _allocator; // 定义容器的空间配置器对象
 
  void expand() // 容器的二倍扩容
  {
    int size = _end - _first;
    T* ptmp = _allocator.allocate(2 * size);
    for (int i = 0; i < size; ++i)
    {
      _allocator.construct(ptmp + i, _first[i]);
    }
    for (T* p = _first; p != _last; ++p)
    {
      _allocator.destroy(p);
    }
    _allocator.deallocate(_first);
    _first = ptmp;
    _last = _first + size;
    _end = _first + 2 * size;
  }
};
 
 
class Test
{
public:
  Test() { std::cout << "Test()" << std::endl; }
  Test& operator=(const Test&t) { std::cout << "operator=" << std::endl; return *this; }
  ~Test() { std::cout << "~Test()" << std::endl; }
  Test(const Test&) { std::cout << "Test(const Test&)" << std::endl; }
};
 
 
int main()
{
  Test t1, t2;
  std::cout << "vector<Test> vec" << std::endl;
  vector<Test> vec;
  std::cout << "vector<Test> vec; push_back" << std::endl;
 
  vec.push_back(t1);
  vec.push_back(t2);
 
  std::cout << "vector<Test> vec; pop_back" << std::endl;
  vec.pop_back();
 
  std::cout << "end" << std::endl;
 
  vector<Test>::iterator it = vec.begin();
  for (; it != vec.end(); ++it) {
    std::cout << "iterator" << " ";
  }
 
  return 0;
}

总结

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