10、一个简易 vector:C++ 模板与 STL

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从零实现一个简易 vector:C++ 模板与 STL 概念介绍

本文通过手写一个简易的 vector 类,带你理解 C++ 模板语法、内存管理、类与对象的基本原理,并对 STL 做一个入门级介绍。


一、为什么要用模板?

在 C 语言中,我们常常需要为不同类型写重复的代码,比如 int 数组、float 数组、char 数组......而 C++ 的模板机制让我们可以写一次代码,适用于任意类型。

cpp 复制代码
template<class T>
class vector { ... };

这就是类模板的定义方式。编译器会根据你使用的类型自动生成对应的类,比如 vector<int>vector<double> 等。


二、类与对象:封装你的数据结构

vector 类封装了三个成员变量:

cpp 复制代码
T* _a;         // 动态数组指针
int _size;     // 当前元素个数
int _capaity;  // 当前容量

构造函数中使用 new 来动态分配内存:

cpp 复制代码
_a = new T[num];

而析构函数中使用了 delete[] 来释放内存,避免内存泄漏:

cpp 复制代码
delete[] _a;

这就是 C++ 中的内存管理收尾:new 和 delete 成对出现


三、pushback:实现动态扩容

实现一个简易的 pushback() 方法:

cpp 复制代码
if (_size >= _capaity) {
    // 扩容逻辑
    int newCapacity = _capaity == 0 ? 1 : _capaity * 2;
    T* tmp = new T[newCapacity];
    ...
}

这是典型的 动态数组扩容策略:当容量不足时,翻倍扩容,保证摊销时间复杂度为 O(1)。


四、operator[]:支持下标访问与修改

重载 operator[],并返回引用:

cpp 复制代码
T& operator[](size_t i) {
    assert(i < _size);
    return _a[i];
}

这允许我们像使用数组一样访问和修改元素:

cpp 复制代码
v[1] = v[1] * 2;

如果你返回的是值而不是引用,就无法修改原始数据。下面我来解释一下原因,如果是传值返回,返回的并不是_a[i]而是一份临时拷贝,但是因为临时拷贝具有常性,所以是没有办法进行修改的,因此我们必须加上引用!


五、push_pop:模拟弹出操作

实现一个 push_pop() 方法:

cpp 复制代码
void push_pop() {
    assert(_size > 0);
    _size--;
}

虽然没有真正删除元素,但通过减少 _size 来模拟弹出行为,符合简易栈的思想。


六、STL 简介:为什么我们还需要标准库?

这份手写的 vector 是对 STL 中 std::vector 的简化版。STL(Standard Template Library)是 C++ 提供的一套泛型容器和算法库,包括:

容器 说明
std::vector 动态数组
std::list 双向链表
std::map 键值对红黑树
std::set 唯一元素集合
std::queue 队列
std::stack

STL 的优势在于:

  • 模板泛型:支持任意类型
  • 高性能:底层优化良好
  • 安全性:边界检查、异常处理
  • 线程安全性:部分算法是线程安全的,但容器本身不是,需手动加锁

七、知识点总结

知识点 说明
模板语法 template<class T>
内存管理 new / delete[]
类封装 构造、析构、成员函数
运算符重载 operator[] 返回引用
动态扩容 翻倍策略
STL 容器 std::vector 等标准容器

最后一段代码回顾

cpp 复制代码
vector<int> v(10);
v.pushback(1);
v.pushback(2);
v[1] = v[1] * 2;
for (size_t i = 0; i < v.size(); i++) {
    cout << v[i] << " ";
}
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