C++動態(tài)數(shù)組類的封裝實例
C++中的動態(tài)數(shù)組（Dynamic Array）是指動態(tài)分配的、可以根據(jù)需求動態(tài)增長占用內存的數(shù)組。為了實現(xiàn)一個動態(tài)數(shù)組類的封裝，我們需要考慮幾個問題：new/delete的使用、內存分配策略、類的四大函數(shù)（構造函數(shù)、拷貝構造函數(shù)、拷貝賦值運算符、析構函數(shù)）、運算符的重載。涉及到的知識點很多，對此本文只做簡單的介紹。
一、內存分配策略
當用new為一個動態(tài)數(shù)組申請一塊內存時，數(shù)組中的元素是連續(xù)存儲的，例如 vector和string。當向一個動態(tài)數(shù)組添加元素時，如果沒有空間容納新元素，不可能簡單地將新元素添加到內存中的其他位置——因為元素必須連續(xù)存儲。所以必須重新分配一塊更大的內存空間，將原來的元素從舊位置移動到新空間中，然后添加新元素，釋放舊的內存空間。如果我們每添加一個新元素，就執(zhí)行一次這樣的內存分配和釋放操作，效率將會慢到不行。
為了避免上述的代價，必須減少內存重新分配的次數(shù)。所以我們采取的策略是：在不得不分配新的內存空間時，分配比新的空間需求更大的內存空間（通常為2倍）。這樣，在相當一段時間內，添加元素時就不用重新申請內存空間。注意，只有當迫不得已時才可以分配新的內存空間。
二、類的四大函數(shù)
一個C++類一般至少有四大函數(shù)，即構造函數(shù)、拷貝構造函數(shù)、拷貝賦值運算符、析構函數(shù)。如果類未自己定義上述函數(shù)，C++編譯器將為其合成4個默認的版本。但是往往編譯器合成的并不是我們所期望的，為此我們有必要自己定義它們。
1.構造函數(shù)
類的構造函數(shù)（constructor）用來初始化類對象的非static數(shù)據(jù)成員，無論何時只要類的對象被創(chuàng)建，就會執(zhí)行構造函數(shù)。
class Foo {
public:
Foo(); // 構造函數(shù)
Foo(string &s);
// ...
};
構造函數(shù)的名字和類名相同，沒有返回類型。類可以包含多個構造函數(shù)（重載），它們之間在參數(shù)數(shù)量或類型上需要有所區(qū)別。構造函數(shù)有一個初始化部分和一個函數(shù)體，成員的初始化是在函數(shù)體執(zhí)行之前完成的。
2.拷貝構造函數(shù)
如果一個構造函數(shù)的第一個參數(shù)是自身類類型的引用，且任何額外參數(shù)都有默認值，則此構造函數(shù)是拷貝構造函數(shù)（copy constructor）。
class Foo {
public:
Foo();
Foo(const Foo&); // 拷貝構造函數(shù)
// ...
};
拷貝構造函數(shù)定義了如何用一個對象初始化另一個同類型的對象。拷貝初始化通常使用拷貝構造函數(shù)來完成。拷貝初始化發(fā)生在下列情況中：
使用等號（=）初始化一個變量
將一個對象作為實參傳遞給一個非引用類型的形參
從一個返回類型為非引用類型的函數(shù)返回一個對象
用花括號列表初始化一個數(shù)組中的元素
3.拷貝賦值運算符
類的拷貝賦值運算符（copy-assignment operator）是一個名為operator=的函數(shù)。類似于其他任何函數(shù)，它也有一個返回類型和一個參數(shù)列表。
class Foo {
public:
Foo();
Foo& operator=(const Foo&); // 賦值運算符
// ...
};
拷貝賦值運算符定義了如何將一個對象賦值給另一個同類型的對象。賦值運算符是一個成員函數(shù)也是一個二元運算符，其左側運算對象就綁定到隱式的this指針，右側運算對象作為顯式參數(shù)傳遞。注意：為了與內置類型的賦值保持一致，賦值運算符通常返回一個指向其左側運算對象的引用。
4.析構函數(shù)
類的析構函數(shù)（destructor）用來釋放類對象使用的資源并銷毀類對象的非static數(shù)據(jù)成員，無論何時只要一個對象被銷毀，就會自動執(zhí)行析構函數(shù)。
class Foo {
public:
~Foo(); // 析構函數(shù)
// ...
};
析構函數(shù)的名字由波浪號（~）加類名構成，也沒有返回類型。由于析構函數(shù)不接受參數(shù)，因此它不能被重載。析構函數(shù)有一個函數(shù)體和一個析構部分，銷毀一個對象時，首先執(zhí)行析構函數(shù)體，然后按初始化順序的逆序銷毀成員。
三、運算符的重載
重載的運算符是具有特殊名字的函數(shù)：它們的名字由關鍵字operator和其后要定義的運算符號共同組成。和其他函數(shù)一樣，重載的運算符也包含返回類型、參數(shù)列表、函數(shù)體，比如拷貝賦值運算符。
當我們定義重載的運算符時，必須首先決定是將其聲明為類的成員函數(shù)還是聲明為一個普通的非成員函數(shù)。有些運算符必須作為成員，而另一些運算符作為普通函數(shù)比作為成員更好：
賦值（=）、下標（[ ]）、調用（( )）和成員訪問箭頭（->）運算符必須是成員。
復合賦值運算符一般來說應該是成員，但并非必須，這一點與賦值運算符略有不同。
改變對象狀態(tài)的運算符或者與給定類型密切相關的運算符，如遞增、遞減、解引用運算符，通常應該是成員。
具有對稱性的運算符可能轉換任意一端的運算對象，例如算術、相等性、關系和位運算符等，因此它們通常應該是普通的非成員函數(shù)。
當然，除了賦值運算符之外，我們還需要為動態(tài)數(shù)組定義下標運算符operator []。下標運算符必須是成員函數(shù)。為了讓下標可以出現(xiàn)在賦值運算符的任意一端，下標運算符函數(shù)通常返回所訪問元素的引用。
四、動態(tài)數(shù)組類的封裝
下面給出了動態(tài)數(shù)組DArray類的接口：
class DArray
{
private:
double *m_Data; // 存放數(shù)組的動態(tài)內存指針
int m_Size; // 數(shù)組的元素個數(shù)
int m_Max; // 預留給動態(tài)數(shù)組的內存大小
private:
void Init(); // 初始化
void Free(); // 釋放動態(tài)內存
inline bool InvalidateIndex(int nIndex); // 判斷下標的合法性
public:
DArray(); // 默認構造函數(shù)
DArray(int nSize, double dValue = 0); // 構造函數(shù)，設置數(shù)組大小，默認值為dValue
DArray(const DArray& arr); // 拷貝構造函數(shù)
DArray& operator=(const DArray& arr); // 拷貝賦值運算符
~DArray(); // 析構函數(shù)
void Print(); // 輸出顯式所有數(shù)組元素的值
int GetSize(); // 獲取數(shù)組的大?。ㄔ貍€數(shù)）
void SetSize(int nSize); // 重新設置數(shù)組的大小，若nSize小于原大小，截斷；否則，新元素置0
double GetAt(int nIndex); // 獲取指定位置元素
void SetAt(int nIndex,double dValue); // 重置指定元素的值
void PushBack(double dValue); // 追加一個新元素到數(shù)組末尾
void DeleteAt(int nIndex); // 刪除指定位置地元素
void InsertAt(int nIndex, double dValue); // 插入一個新的元素到數(shù)組中
double operator[](int nIndex) const; // 重載下標運算符[]
};
下面是實現(xiàn)方法：
void DArray::Init()
{
m_Size = 0; // 默認情況下數(shù)組不包含元素
m_Max = 1;
m_Data = new double[m_Max];
}
void DArray::Free()
{
delete [] m_Data;
}
bool DArray::InvalidateIndex(int nIndex)
{
if(nIndex>=0 && nIndex<m_Size)
return false;
else
return true;
}
// 默認構造函數(shù)
DArray::DArray()
{
Init();
}
// 構造函數(shù)
DArray::DArray(int nSize, double dValue)
{
if(nSize == 0)
Init();
else
{
m_Size = nSize;
m_Max = nSize;
m_Data = new double[m_Max];
for(int i=0; i<nSize; ++i)
m_Data[i]=dValue;
}
}
// 拷貝構造函數(shù)
DArray::DArray(const DArray& arr)
{
m_Size = arr.m_Size; /*復制常規(guī)成員*/
m_Max = arr.m_Max;
m_Data = new double[m_Max]; /*復制指針指向的內容*/
memcpy(m_Data, arr.m_Data, m_Size*sizeof(double));
}
// 拷貝賦值運算符
DArray& DArray::operator=(const DArray& arr)
{
if(this == &arr) /*自賦值*/
return *this;
m_Size = arr.m_Size;
m_Max = arr.m_Max;
/* 先將右側對象拷貝到臨時對象中，然后再銷毀左側對象*/
double *m_Temp = new double[m_Max];
memcpy(m_Temp, arr.m_Data, m_Size*sizeof(double));
delete [] m_Data;
m_Data = m_Temp;
return *this;
}
// 析構函數(shù)
DArray::~DArray()
{
Free();
}
// 打印數(shù)組
void DArray::Print()
{
if(m_Size == 0)
{
cout << "Error: The empty array can't be Printed." << endl;
exit(0);
}
else
{
for(int i=0; i<m_Size; ++i)
cout << m_Data[i] << " ";
cout << endl;
}
}
// 獲取數(shù)組大小
int DArray::GetSize()
{
return m_Size;
}
// 重置數(shù)組大小
void DArray::SetSize(int nSize)
{
if(nSize < m_Size) /*截斷*/
{
for(int i=nSize; i<m_Size; ++i)
m_Data[i] = 0;
}
if(m_Size<=nSize && nSize<=m_Max) /*新增元素置0*/
{
for(int i=m_Size; i<nSize; ++i)
m_Data[i] = 0;
}
if(nSize > m_Max) /*需要重新分配空間*/
{
m_Max = nSize;
double *temp = new double[m_Max];
memcpy(temp, m_Data, m_Size*sizeof(double));
for(int i=m_Size; i<nSize; ++i)
temp[i] = 0;
delete [] m_Data;
m_Data = temp;
}
m_Size = nSize; /*設置數(shù)組大小*/
}
// 獲取指定位置元素
double DArray::GetAt(int nIndex)
{
if(InvalidateIndex(nIndex))
{
cout << "Error: the index of GetAt is invalid!" << endl;
exit(0);
}
return m_Data[nIndex];
}
// 設置指定位置元素的值
void DArray::SetAt(int nIndex, double dValue)
{
if(InvalidateIndex(nIndex))
{
cout << "Error: the index of SetAt is invalid!" << endl;
exit(0);
}
else
{
m_Data[nIndex] = dValue;
}
}
// 追加一個新元素到數(shù)組末尾
void DArray::PushBack(double dValue)
{
if(m_Size < m_Max)
{
m_Data[m_Size] = dValue;
}
else
{
m_Max = m_Max*2;
double* temp = new double[m_Max];
memcpy(temp, m_Data, m_Size*sizeof(double));
delete [] m_Data;
m_Data = temp;
m_Data[m_Size] = dValue;
}
++m_Size; /*數(shù)組大小加1*/
}
// 從數(shù)組中刪除一個元素
void DArray::DeleteAt(int nIndex)
{
if(InvalidateIndex(nIndex))
{
cout << "Error: the index of DeleteAt is invalid." << endl;
exit(0);
}
else
{
for(int i=nIndex; i<m_Size; ++i)
m_Data[i] = m_Data[i+1];
m_Data[m_Size-1] = 0;
--m_Size;
}
}
// 插入一個新元素到指定位置
void DArray::InsertAt(int nIndex, double dValue)
{
if(nIndex<0 || nIndex>m_Size)
{
cout << "Error: the index of InsertAt is invalid!" << endl;
exit(0);
}
if(m_Size < m_Max) /* 未滿，插入 */
{
for(int i=m_Size-1; i>=nIndex; --i)
m_Data[i+1] = m_Data[i];
m_Data[nIndex] = dValue;
}
else /* 重新分配空間 */
{
m_Max = m_Max*2;
double* temp = new double[m_Max];
memcpy(temp, m_Data, m_Size*sizeof(double));
delete [] m_Data;
m_Data = temp;
for(int i=m_Size-1; i>=nIndex; --i)
m_Data[i+1] = m_Data[i];
m_Data[nIndex] = dValue;
}
++m_Size; /* 數(shù)組大小加1 */
}
// 重載下標運算符[]
double DArray::operator[](int nIndex) const
{
if(nIndex<0 || nIndex>=m_Size)
{
cout << "Error: the index in [] is invalid!" << endl;
exit(0);
}
return m_Data[nIndex];
}
經(jīng)過簡單的測試，暫時還沒有發(fā)現(xiàn)Bug?？赡軠y試并不全面，感興趣的讀者可以進一步測試并完善該程序。
附：String類的實現(xiàn)
C++ 的一個常見面試題是讓你實現(xiàn)一個 String 類，限于時間，不可能要求具備 std::string 的功能，但至少要求能正確管理資源。
如果你弄懂了上面DArray類的寫法，那么實現(xiàn)String類應該就不難了。因為面試官一般只是想考查你能不能正確地寫出構造函數(shù)、析構函數(shù)、拷貝構造函數(shù)、拷貝賦值運算符以及+、[ ]、<<、>>運算符重載等等。下面給出一個String類的接口，你可以自己試試手實現(xiàn)一下：
class String{
friend ostream& operator<< (ostream&,String&); //重載<<運算符
friend istream& operator>> (istream&,String&); //重載>>運算符
public:
String(); // 默認構造函數(shù)
String(const char* str); // 帶參構造函數(shù)
String(const String& rhs); // 拷貝構造函數(shù)
String& operator=(const String& rhs); // 拷貝賦值運算符
String operator+(const String& rhs) const; //operator+
bool operator==(const String&); //operator==
bool operator!=(const String&); //operator!=
char& operator[](unsigned int); //operator[]
size_t size() const;
const char* c_str() const;
~String(); // 析構函數(shù)
private:
char *m_data; // 用于保存字符串
};
本文所述DArray類和String類的源碼及測試代碼可點擊此處本站下載。
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