C++ 手把手教你实现可变长的数组实现

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 push_back 函数还有优化的空间，当前的 push_back 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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