数据结构(02)_模板库的基础设施搭建

发布时间：2020-07-31 14:30:43 作者：三九感冒灵
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1.泛型编程简介

1.1.引言

数据额结果课程专注于数据元素之间的关系，和数据元素的操作方法，并不关系具体的数据类型，所以选择支持泛型编程的语言最为合适数据结构课程的学习。

1.2.泛型编程的概念

不考虑具体的数据类型的编程方式称为泛型编程，举例，对于swap函数考虑下面的泛型写法。

void swap(T a, T b)
{
    T t = a;
    a = b;
    b = t
}

这里的T不是指具体的数据类型，而是泛指任意的数据类型。在C++语言中泛型编程通过模板实现。

1.3.C++的函模板模板

函数模板是一种特殊的函数，可以使用不同类型进行调用，看起来和普通函数很相似，区别是类型可以被参数化。
语法规则：
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函数模板的使用有两种方式：

1.4.C++类模板

以相同的方式处理不同的类型，在类声明前使用template进行标识。
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类模板的应用：
只能显示的指定具体的类型，无法自动推导，使用具体类型定义对象：

编程实验：

#include <iostream>

using namespace std;

template <typename T>
void Swap(T& a, T& b)
{
    T t = a;
    a = b;
    b = t;
}

template <typename T>
class Op
{
public:
    T process(T v)
    {
        return v * v;
    }
};

int main()
{
    int a = 2;
    int b = 1;

    Swap(a, b);

    cout << "a = " << a << " " << "b = " << b << endl;

    double c = 0.01;
    double d = 0.02;

    Swap<double>(d, c);

    cout << "c = " << c << " " << "d = " << d << endl;

    Op<int> opInt;
    Op<double> opDouble;

    cout << "5 * 5 = " << opInt.process(5) << endl;
    cout << "0.3 * 0.3 = " << opDouble.process(0.3) << endl;

    return 0;
}

2.智能指针

2.1.内存泄漏

动态内存申请后，用完后不归还会导致内存泄漏；C++语言中没有垃圾回收机制，指针无法控制所执行的堆空间的生命周期。

2.2.智能指针

使用指针对象代替原生指针，这样在指针生命周期结束时，可以自动调用析构函数，归还对象所使用的堆空间
实现思路：重载指针操作符（ *和-> ）
一片堆空间只能由一个指针类标识，杜绝指针运算（重载拷贝构造函数、和赋值操作符完成堆空间所有权的转接）
编程实验

#ifndef SMARTPOINTER_H
#define SMARTPOINTER_H

namespace DTLib
{
template<typename T>
class SmartPointer
{
protected:
    T* m_pointer;

public:
    SmartPointer(T* p =NULL)
    {
        m_pointer = p;
    }

    SmartPointer(const SmartPointer<T>& obj)
    {
        m_pointer = obj.m_pointer;
        const_cast<SmartPointer<T>&>(obj).m_pointer = NULL;
    }

    SmartPointer<T>& operator=(const SmartPointer<T>& obj)
    {
        if(this != &obj)
        {
            delete m_pointer;
            m_pointer = obj.m_pointer;
            const_cast<SmartPointer<T>&>(obj).m_pointer = NULL;
        }
        return *this;
    }

    T* operator->()
    {
        return m_pointer;
    }

    T& operator*()
    {
        return *m_pointer;
    }

    bool isNULL()
    {
        return(m_pointer == NULL);
    }

    T* get()
    {
        return m_pointer;
    }

    ~SmartPointer()
    {
        delete m_pointer;
    }

};

}

#endif // SMARTPOINTER_H

3.C++异常简介

C++中的异常处理：
try处理正常逻辑、throw用于抛出异常、catch用于捕获异常
如果一个异常没有被处理，会沿着函数的调用栈向上传播，直至被处理，或着程序异常终止。
catch捕获异常时会严格匹配，不进行任何形式的转换，catch(…)用与捕获所有异常，放在最后，每一个异常只能被捕获一次
父子兼容原则适用、所以捕获子类的异常在上、父类在下（子类对象可以看做一个父类对象）
编程实验：

#include <iostream>

using namespace std;

double divide(double a, double b)
{
    const double delta = 0.000000000000001;
    double ret = 0;

    if( !((-delta < b) && (b < delta)) ) {
        ret = a / b;
    }
    else {
        throw 0;   // 产生除 0 异常
    }

    return ret;
}

void Demo1()
{
    try
    {
        //throw 3;
        //throw 5.0;
        throw 'c';
    }
    catch(int i)
    {
        cout << "catch(int i)" << endl;
    }
    catch(double d)
    {
        cout << "catch(double d)" << endl;
    }
    catch(char c)
    {
        cout << "catch(char c)" << endl;
    }
}

void Demo2()
{
    //throw 0.0001;
    //throw "D.T.Software";//const char*

}

int main()
{
    cout << "main() begin" << endl;

    try
    {
        double c = divide(1, 1);

        cout << "c = " << c << endl;
    }
    catch(...)
    {
        cout << "Divided by zero..."  << endl;
    }

    Demo1();

    try
    {
        Demo2();
    }
    catch(char* c)
    {
        cout << "catch(char* c)" << endl;
    }
    catch(const char* cc)
    {
        cout << "catch(char* cc)" << endl;
    }
    catch(...)
    {
        cout << "catch(...)" << endl;
    }

    cout << "main() end" << endl;

    return 0;
}

4.异常类构建

4.1. 标准库异常类族

现代C++库必然包含重要的异常类族
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4.2. 自定义异常类族

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异常类中的接口定义：

#define THROW_EXCEPTION(e, m) (throw e(m, __FILE__, __LINE__))
class Exception
{
protected:
    char* m_message;
    char* m_location;
public:
    void init(const char* message, const char* file, int line);
    Exception(const char* message);
    Exception(const char* file, int line);
    Exception(const char* message, const char* file, int line);
    Exception(const Exception& e);
    Exception& operator =(const Exception& e);
    virtual const char* message() const;
    virtual const char* location() const;
    virtual ~Exception() = 0;
};

编程实现,Exception.cpp

#include "Exception.h"
#include <cstdlib>
#include <cstring>

using namespace std;

namespace DTLib
{
    void Exception::init(const char *message, const char *file, int line)
    {
        m_message = ( message ? strdup(message) : NULL);
        if(NULL != file)
        {
            char sl[16] {0};
            itoa(line, sl, 10);
            m_location = static_cast<char*>(malloc(strlen(sl) +strlen(file) + 2));

            m_location = strcpy(m_location, file);
            m_location = strcat(m_location, ":");
            m_location = strcat(m_location, sl);
        }
        else
        {
            m_location = NULL;
        }
    }

    Exception::Exception(const char *message)
    {
        init(message, NULL, 0);
    }
    Exception::Exception(const char* file, int line)
    {
        init(NULL, file, line);
    }
    Exception::Exception(const char *message, const char *file, int line)
    {
        init(message, file, line);
    }
    Exception::Exception(const Exception& e)
    {
        m_message = strdup(e.m_message);
        m_location = strdup(e.m_location);
    }
    Exception& Exception::operator= (const Exception& e)
    {
        if( this != &e)
        {
            free(m_message);
            free(m_location);

            m_message = strdup(e.m_message);
            m_location = strdup(e.m_location);
        }
        return *this;
    }

    const char* Exception::message() const
    {
        return m_message;
    }
    const char* Exception::location() const
    {
        return m_location;
    }

    Exception::~Exception()
    {
        free(m_location);
        free(m_message);
    }
}

编程实现,Exception.h


#define THROW_EXCEPTION(e, m) (throw e(m, __FILE__, __LINE__))

class Exception : public Object
{
protected:
    char* m_message;
    char* m_location;
    void init(const char *message, const char *file, int line);
public:
    Exception(const char *message);
    Exception(const char* file, int line);
    Exception(const char *message, const char *file, int line);

    Exception(const Exception& e);
    Exception& operator= (const Exception& e);

    virtual const char* message() const;
    virtual const char* location() const;

    virtual ~Exception() = 0;
};

class ArithmeticException : public Exception
{
public:
    ArithmeticException() : Exception(0){}
    ArithmeticException(const char* message) : Exception(message){}
    ArithmeticException(const char* file, int line) : Exception(file, line){}
    ArithmeticException(const char* message, const char* file, int line) : Exception(message, file, line){}

    ArithmeticException(const ArithmeticException& e) : Exception(e) {}
    ArithmeticException& operator =(const ArithmeticException& e)
    {
        Exception :: operator =(e);
        return *this;
    }
};

class NoEnoughMemoryException : public Exception
{
public:
    NoEnoughMemoryException() : Exception(0){}
    NoEnoughMemoryException(const char* message) : Exception(message){}
    NoEnoughMemoryException(const char* file, int line) : Exception(file, line){}
    NoEnoughMemoryException(const char* message, const char* file, int line) : Exception(message, file, line){}

    NoEnoughMemoryException(const NoEnoughMemoryException& e) : Exception(e) {}
    NoEnoughMemoryException& operator =(const NoEnoughMemoryException& e)
    {
        Exception :: operator =(e);
        return *this;
    }
};

class IndexOutOfBoundsException : public Exception
{
public:
    IndexOutOfBoundsException() : Exception(0){}
    IndexOutOfBoundsException(const char* message) : Exception(message){}
    IndexOutOfBoundsException(const char* file, int line) : Exception(file, line){}
    IndexOutOfBoundsException(const char* message, const char* file, int line) : Exception(message, file, line){}

    IndexOutOfBoundsException(const IndexOutOfBoundsException& e) : Exception(e) {}
    IndexOutOfBoundsException& operator =(const IndexOutOfBoundsException& e)
    {
        Exception :: operator =(e);
        return *this;
    }
};

class NullPointerException : public Exception
{
public:
    NullPointerException() : Exception(0){}
    NullPointerException(const char* message) : Exception(message){}
    NullPointerException(const char* file, int line) : Exception(file, line){}
    NullPointerException(const char* message, const char* file, int line) : Exception(message, file, line){}

    NullPointerException(const NullPointerException& e) : Exception(e) {}
    NullPointerException& operator =(const NullPointerException& e)
    {
        Exception :: operator =(e);
        return *this;
    }
};

class InvaildParemeterException : public Exception
{
public:
    InvaildParemeterException() : Exception(0){}
    InvaildParemeterException(const char* message) : Exception(message){}
    InvaildParemeterException(const char* file, int line) : Exception(file, line){}
    InvaildParemeterException(const char* message, const char* file, int line) : Exception(message, file, line){}

    InvaildParemeterException(const InvaildParemeterException& e) : Exception(e) {}
    InvaildParemeterException& operator =(const InvaildParemeterException& e)
    {
        Exception :: operator =(e);
        return *this;
    }
};

class InvalidOperationException : public Exception
{
public:
    InvalidOperationException() : Exception(0){}
    InvalidOperationException(const char* message) : Exception(message){}
    InvalidOperationException(const char* file, int line) : Exception(file, line){}
    InvalidOperationException(const char* message, const char* file, int line) : Exception(message, file, line){}

    InvalidOperationException(const InvalidOperationException& e) : Exception(e) {}
    InvalidOperationException& operator =(const InvalidOperationException& e)
    {
        Exception :: operator =(e);
        return *this;
    }

};

4.3. .设计原则

在构建可复用的库时，尽量使用面向对象技术进行架构，尽量使用异常处理机制分离正常逻辑和异常逻辑。
注意:
1.注意对于重虚函数一般不实现，在子类中才会实现，但是析构函数例外，一但定义，就必须要有实现，否则析构过程会出错。
2.为什么不直接将message赋值给初始化函数
原因在于message所指向的字符串可能位于栈、堆、全局数据区，我们无法区控制其生命周期，这样做不够安全。

5.顶层父类的创建

5. 1.当代软件架构实践中的经验：

尽量使用单纯继承的方式进行系统设计
尽量保持系统中只存在单一的继承树
尽量使用组合关系代替继承关系
5.2.不幸的事实：
C++的语法足够强大、灵活，使得代码中可以存在多个继承树
C++编译器的差异使得同样的代码可能表现不同的行为（譬如new失败通常会返回一个空指针，但有写编译器会选择抛出一个异常）
5.3.自定义顶层父类

DTLib：：Object的意义：
遵循经典的设计原则，所有的数据结构都继承自Object类

规范动态类型申请的行为（new失败返回一个空指针），提高代码的可移植性
接口定义如下：

class Object
{
public:
void* operator new (unsigned int size) throw();
void operator delete (void* p);
void* operator new[] (unsigned int size) throw();
void operator delete[] (void* p);
virtual ~Object() = 0;
};

编程实现，Object.cpp

void* Object::operator new(unsigned int size) throw()
{
    return malloc(size);
}
void  Object::operator delete(void *p) throw()
{
    free(p);
}
void* Object::operator new[](unsigned int size) throw()
{
    return malloc(size);
}
void  Object::operator delete[](void *p) throw()
{
    free(p);
}
bool Object::operator == (const Object& obj)
{
    return this == &obj;
}
bool Object::operator != (const Object& obj)
{
    return this != &obj;
}
Object::~Object()
{

}
}

Object.h

class Object
{
public:
// don't throw any exception,even if alloc fail.
void* operator new(unsigned int size) throw();
void  operator delete(void *p) throw();
void* operator new[](unsigned int size) throw();
void  operator delete[](void *p) throw();
bool operator == (const Object& obj);
bool operator != (const Object& obj);
virtual ~Object() =0;       // Heavy virtual function(inherited only).
};

6.单一继承树优化

1.遵循经典的设计原则，所有的DTLib中的类位于单一的继承树
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2.改进的关键点：

Exception类继承自Object类，堆空间创建对象失败，返回NULL
新增InvalidOperationException异常类，调用状态不正确时抛出异常
SmartPointer类继承自Object类
3.DTLib的开发方式和注意事项
迭×××发，每次完成一个小目标
单一继承树
只抛出异常但不处理异常
使用THROW_EXCEPTION抛出异常，提高可移植性（在一些比较老的C++编译器中是不支持异常处理机制的，其次有些软件公司也不允许使用异常处理机制）。如果将来用于不支持异常处理的情况时，我们只要将THROW_EXCEPTION这个宏定义为空即可。
弱耦合性，尽量不使用标准库中的类和函数
注意：
1.为什么没有在init函数中内存申请失败时抛出异常，见代码
1）从代码允许逻辑来讲如果此处抛出异常，最终会生成一个Exception对象构造时将再次回到这里
2）从逻辑分析，如果抛出异常，则应该抛出NoEnoughMemoryException这个子类对象，父类对象都没有生成子类对象如何产生