C++ 手把手教你实现可变长的数组

发布于 2020-9-4 09:51
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01 实现自定义的可变长数组类型
假设我们要实现一个会自动扩展的数组,要实现什么函数呢?先从下面的main函数给出的实现,看看有什么函数是需要我们实现的。

int main()
{
    MyArray a;  // 初始化的数组是空的
    for(int i = 0; i < 5; ++i)
        a.push_back(i); // push_back是成员函数
        
    MyArray a2,a3;
    a2 = a; // 重载赋值运算符函数
    
    // 由于上一句a2 = a语句,所以a.length()实际上就是a2.length()
    for(int i = 0; i < a.length(); ++i) 
        cout << a2[i] << " ";
    
    a2 = a3; // a2是空的数组
    for(int i = 0; i < a2.length(); ++i) // a2.length()返回0
        cout << a2[i] << " ";
    cout << endl;
    
    a[3] = 100;    // 重载[]运算符函数
    MyArray a4(a); // 重载复制构造函数
    
    for(int i = 0; i < a4.length(); ++i)
        cout << a4[i] << " ";
    
    return 0;
}

输出结果:

0 1 2 3 4
0 1 2 100 4

要实现的方式,要做哪些事情呢?我先列一下:

  • 要用动态分配的内存来存放数组元素,需要一个指针成员变量
  • 重载赋值=运算符
  • 重载[]运算符
  • 重载复制构造函数
  • 实现push_back和length()函数

 

02 MyArray类的实现步骤
要实现一个可变长数组类的,基本需要实现下面的7个函数:

class MyArray // 可变长数组类
{
public:
    // 1. 构造函数,s代表数组元素的个数
    MyArray(int s = 0);
    
    // 2. 复制构造函数
    MyArray(MyArray &a);
    
    // 3. 析构函数
    ~MyArray();
    
    // 4. 重载赋值=运算符函数,用于数组对象间的赋值
    MyArray & operator=(const MyArray & a);

    // 5. 重载[]运算符函数,用于获取数组下标对于的值
    int & operator[](int i);
    
    // 6. 加入一个元素到数组的末尾
    void push_back(int v);
    
    // 7. 获取数组的长度
    int length();

private:
    int  m_size; // 数组元素的个数
    int* m_ptr;  // 指向动态分配的数组
};

 

1. 构造函数
构造函数的目的就是初始化一个数组,代码如下:

// 构造函数
MyArray::MyArray(int s = 0):m_size(s)
{
    // 当初始化长度为0的数组时,数组指针就是空的
    if(s == 0)
        m_ptr = NULL;
    // 当初始化长度不为0时,则申请对应大小的空间
    else
        m_ptr = new int[s];
}

 

2. 复制构造函数
复制构造函数目的就是产生一个与入参对象一样的对象,但是由于MyArray类是有指针成员变量的,所以我们必须才用深拷贝的方式来实现复制构造函数,如果使用默认的复制构造函数,则会导致两个对象的指针成员变量指向的地址是同一个,这是非常危险的。

// 复制构造函数
MyArray::MyArray(const MyArray &a)
{
    // 如果入参的数组对象的指针地址为空时,则也初始化一个空的数组
    if(a.m_ptr == NULL)
    {
        m_ptr = NULL;
        m_size = 0;
    }
    // 如果入参的数组对象有数据时,则申请一个新的地址,最后来复制入参对象数组对象的数据和大小。
    else
    {
        m_ptr = new int[a.m_size];
        memcpy(m_ptr, a.m_ptr, sizeof(int)*a.m_size);
        m_size = a.m_size;
    }
}

 

3. 析构函数
析构函数的目的就是释放数组的资源

// 析构函数
MyArray::~MyArray()
{
    // 如果指针地址不为空时,则释放资源
    if(m_ptr)
        delete [] m_ptr;
}

 

4. 重载赋值=运算符函数
重载赋值=运算符函数目的就使=号左边对象里存放的数组,大小和内容都和右边的对象一样

// 重载赋值=运算符函数
MyArray & MyArray::operator=(const MyArray & a)
{
    if(m_ptr == a.m_ptr) // 防止a=a这样的赋值导致出错
        return *this; 
    
    if(a.m_ptr == NULL) // 如果a里面的数组是空的
    {
        if(m_ptr)
            delete [] m_ptr; // 释放旧数组的资源
        
        m_ptr = NULL;
        m_size = 0;
        return *this;
    }
    
    if(m_size < a.m_size) // 如果原有空间足够大,就不用分配新的空间
    {
        if(m_ptr)
            delete [] m_ptr; // 释放旧数组的资源
            
        m_ptr = new int[a.m_size]; // 申请新的内存地址
    }
    
    memcpy(m_ptr, a.m_ptr, sizeof(int)*a.m_size);
    m_size = a.m_size;
    return *this;
}

 

5. 重载[]运算符函数
重载[]运算符函数目的就是能通过[]运算符来获取对应下标的数组值

// 重载[]运算符函数
int & MyArray::operator[](int i)
{
    return m_ptr[i]; // 返回对应下标的数组值
}

 

6. 加入元素到数组末尾的函数
push_back函数的目的就是把一个新的元素,加入到数组的末尾

// 在数组尾部添加一个元素
void MyArray::push_back(int v)
{
    if(m_ptr) // 如果数组不为空
    {
        int *tmpPtr = new int[m_size + 1]; // 重新分配空间
        memcpy(tmpPtr, m_ptr, sizeof(int)*m_size); // 拷贝原数组内容
        delect [] m_ptr;
        m_ptr = tmpPtr;
    }
    else // 如果数组本来就是空的
    {
        m_ptr = new int[1];   
    }
    
    m_ptr[m_size++] = v; //加入新的数组元素
}

 

7. 获取数组长度的函数
length()函数就比较简单了,直接返回成员变量m_size,就是数组的长度了

// 获取数组长度的函数
int MyArray:;length()
{
    return m_size;
}

 

03 小结
可变长数组类型实现的整体代码,如下:

class MyArray
{
public:
    // 1. 构造函数,s代表数组元素的个数
    MyArray(int s = 0):m_size(s)
    {
        if(s == 0)
            m_ptr = NULL;
        else
            m_ptr = new int[s];
    }
    
    // 2. 复制构造函数
    MyArray(const MyArray &a)
    {
        if(a.m_ptr == NULL)
        {
            m_ptr = NULL;
            m_size = 0;
        }
        else
        {
            m_ptr = new int[a.m_size];
            memcpy(m_ptr, a.m_ptr, sizeof(int)*a.m_size); // 拷贝原数组内容
            m_size = a.m_size;
        }
    }
    
    // 3. 拷贝构造函数
    ~MyArray()
    {
        if(m_ptr)
            delete [] m_ptr;
    }
    
    // 4. 重载赋值=运算符函数
    MyArray & operator=(const MyArray & a)
    {
        if(m_ptr == a.m_ptr)
            return *this;
        
        if(a.m_ptr == NULL)
        {
            if(m_ptr)
                delete [] m_ptr;
            
            m_ptr = NULL;
            m_size = 0;
            return *this;
        }
        
        if(m_size < a.m_size)
        {
            if(m_ptr)
                delete [] m_ptr;
                
            m_ptr = new int[a.m_size];
        }
        
        memcpy(m_ptr, a.m_ptr, sizeof(int)*a.m_size); // 拷贝原数组内容
        m_size = a.m_size;
        return *this;
    }
    
    // 5. 重载[]运算符函数
    int & operator[](int i)
    {
        return m_ptr[i];
    }
    
    // 6. 在数组的末尾加入一个新的元素
    void push_back(int v)
    {
        if(m_ptr) // 如果数组不为空
        {
            int *tmpPtr = new int[m_size + 1]; // 重新分配空间
            memcpy(tmpPtr, m_ptr, sizeof(int)*m_size); // 拷贝原数组内容
            delete [] m_ptr;
            m_ptr = tmpPtr;
        }
        else // 如果数组本来就是空的
        {
            m_ptr = new int[1];   
        }
        
        m_ptr[m_size++] = v; //加入新的数组元素
    }
    
    // 7. 获取数组的长度
    int length()
    {
        return m_size;
    }

private:
    int  m_size; // 数组元素的个数
    int* m_ptr;  // 指向动态分配的数组
};

实际上本次的可变长的数组类还缺少一下函数,比如:删除某个元素的函数、清空数组的函数等等,这些可以留给大家思考。

 

还有就是 pushback 函数还有优化的空间,当前的 pushback 函数每加入一个元素都会重新分配新的内存,这是会增大开销的,那么优化的思路:

提前分配好一个 n 大小的空间,当数组大小不够的时候,则才继续重新分配 2n 大小的空间,以此类推。

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