C++笔记（体系结构与内核分析）

1.OOP面向对象编程 vs. GP泛型编程

• OOP将data和method放在一起，目的是通过封装、继承、多态提高软件的可维护性和可扩展性
• GP将data和method分开，可以将任何容器与任何算法结合使用，只要容器满足塞饭所需的迭代器类型

2.算法与仿函数的区别

bool strLonger(const string &s1, const string &s2)
{return s1.size() < s2.size();
}// 算法
cout << "max of zoo and hello:" << max(string("zoo"), string("hello")) << endl;
// 仿函数
cout << "max of zoo and hello:" << max(string("zoo"), string("hello"), strLonger) << endl;

3.泛化、特化、偏特化

• 泛化：支持广泛的数据类型和情况，而不是针对特定类型
• 特化：为特定类型或一组类型提供特定的实现

#include <iostream>// General template
template <typename T>
void print(T arg) {std::cout << "General print: " << arg << std::endl;
}// Specialization for const char*
template <>
void print<const char*>(const char* arg) {std::cout << "Specialized print for const char*: " << arg << std::endl;
}int main() {print(123);             // Uses general templateprint("Hello, world");  // Uses specialized template
}

• 偏特化：针对特定类型组合提供优化的行为或特殊实现。完全特化需要指定模板的所有参数，偏特化只需指定部分参数，或对参数施加某些约束。
  • 第一种偏特化处理第二个模板参数为 int 的情况。
  • 第二种偏特化处理两个模板参数相同的情况。

#include <iostream>// 基本模板
template <typename T, typename U>
class MyClass {
public:void print() {std::cout << "Base template\\n";}
};// 偏特化：特化第二个类型为 int 的情况
template <typename T>
class MyClass<T, int> {
public:void print() {std::cout << "Partially specialized template for T and int\\n";}
};// 偏特化：特化两个类型都为相同类型的情况
template <typename T>
class MyClass<T, T> {
public:void print() {std::cout << "Partially specialized template for T, T\\n";}
};int main() {MyClass<double, double> myClass1;  // 会匹配 MyClass<T, T>MyClass<double, int> myClass2;     // 会匹配 MyClass<T, int>MyClass<double, char> myClass3;    // 会匹配基本模板 MyClass<T, U>myClass1.print();  // 输出: Partially specialized template for T, TmyClass2.print();  // 输出: Partially specialized template for T and intmyClass3.print();  // 输出: Base template
}

4.分配器allocates

分配器（allocators）是用来管理内存分配和回收的对象。

• 在 VC6 中，operator new() 通常通过调用 malloc() 实现， malloc() 函数不仅会开辟用户请求的内存外，还会引入额外的内存开销：

void* operator new(size_t size) {void* p = malloc(size);if (p == 0) // 如果malloc失败，则抛出std::bad_alloc异常throw std::bad_alloc();return p;
}

• 例如:当我们需要分配512个整型数据时

int *p = allocator<int>().allocate(512,(int *)0);
allocator<int>().deallocate(p,512);

• 在 VC6 / BC++ / G++中，allocator 类都是使用 operator new 来分配内存，并使用 operator delete 来释放内存。其中，operator new() 通常通过调用 malloc() 实现开辟内存，operator delete() 通常通过调用 free() 实现回收内存：

// VC6 STL中容器对allocator的使用
template<class _Ty, class _A=allocator<_Ty>>  // 调用allocator类
class vector
{ ...
};

template <typename T>
class allocator {
public:typedef size_t    size_type; // size_t是一个无符合整型数据类型typedef ptrdiff_t difference_type;  // 表示同一个数组中任意两个元素之间的差异typedef T*        pointer;typedef T         value_type;pointer allocate(size_type n, const void* hint = 0) {return (pointer) (::operator new(n * sizeof(value_type)));}void deallocate(pointer p, size_type n) {::operator delete(p);}
}

• 在GCC2.9中

// VC6 STL中容器对allocator的使用
template<class T, class Alloc = alloc>  // 调用allocator类
class vector
{ ...
};

 

①内存池：由一系列内存块组成，每块预分配一定数量的内存。

②自由列表：每个固定大小的内存块都有自己的自由列表。

③大小分类：根据内存请求的大小被分类到不同的自由列表。

• GCC4.9所附的标准库，其中**__pool_alloc就是GCC2.9中的alloc**

  // 使用方法
  vector<string, __gnn_cxx::__pool_alloc<string>> vec;
  

5.容器的分类

 

6.容器list

G2.9版本：

template <class T, class Alloc = alloc>
class list{
protected:typeof __list_node<T> list_node;  // 1号代码块
public:typeof list_node* link_type;typeof __list_iterator<T,T&,T*> iterator;  // 2号代码块
protected:link_type node;
}

// 1号代码块
template <class T>
struct __list_node {void* prev;void* next;T data;
};

// 2号代码块
template <class T,class Ref,class Ptr>
struct __list_iterator{typedef bidirectional_iterator_tag iterator_category;  // (1)typedef T  value_type;  // (2)typedef Ptr pointer;  // (3)typedef Ref reference;  // (4)typedef ptrdiff_t difference_type;  // (5)typedef __list_node<T> list_node;typedef list_node* list_type;typedef __list_iterator<T,Ref,Ptr> self;link_type node;reference operator*() const{ return (*node).data; }  // 返回引用pointer operator->() const{ return &(operator *());}  // 返回指针。获得该对象的内存地址，即一个指向该对象的指针self& operator++()   // i++{ node = (link_type) ((*node).next); return *this; // 返回自身的引用}// (*node).next是一个 __list_node<T>* 类型的值，加上(list_type)是显式类型转换// (*node).next 等价于 node->next 等价于 (&(*node))->next;// node只是一个迭代器的指针，不是迭代器本身// self&表示返回迭代器的引用self operator++(int)   // ++i{ self tmp = *this; ++*this; return tmp;}
};

• 前缀递增 (operator++()) 将迭代器向前移动到下一个元素
• 后缀递增 (operator++(int)) 返回迭代器的一个临时副本（在递增前的状态），然后再递增迭代器。
• 内置 -> 操作符 用于直接从指针访问对象成员。
• 重载的 operator->() 提供了一种方式，通过迭代器对象模拟原生指针的行为，允许通过迭代器间接访问对象成员。
• (*node).next等价于node->next 等价于 (&(*node))->next

G4.9版本:

template<typename _Tp, typename _Alloc=std::allocator<_Tp>>
class list:protected_List_base<_Tp,_Alloc>
{
public:typedef _List_iterator<_Tp> iterator;
}

• template<typename _Tp, typename _Alloc = std::allocator<_Tp>>
  • 这是一个类模板，接受两个模板参数。
  • _Tp 表示列表中要存储的数据类型。
  • _Alloc 是分配器类型，用于控制链表中元素的内存分配。这个参数有一个默认值，即 std::allocator<_Tp>，这是 C++ 标准库提供的一种通用内存分配器。
• : protected _List_base<_Tp, _Alloc>
  • list 类从 _List_base 类继承而来，使用保护（protected）继承。这意味着 _List_base 中的公共和保护成员在 list 类中将变为保护成员。
  • _List_base 是一个实现链表基础功能的类

template<typename _Tp>
struct _List_iterator
{typedef _Tp* pointer;typedef _Tp& reference;...
};

// 自身类型的指针使得可以从任何一个节点开始
// 沿着链表向前或向后移动，这对于双向遍历和双向操作非常重要。
struct _List_node_base
{_List_node_base* _M_next;_List_node_base* _M_prev;
};

template<typename _Tp>
struct _List_node:public _List_node_base
{_Tp _M_data;
};

7.Iterator必须提供5中associated types

算法提问：

template<typename T>
incline void
algorithm(T first, T last)  // 迭代器
{...T::iterator_categoryT::value_typeT::pointerT::referenceT::difference_type...
};

迭代器回答：

template <class T,class Ref,class Ptr>
struct __list_iterator{typedef bidirectional_iterator_tag iterator_category;  // (1)typedef T  value_type;  // (2)typedef Ptr pointer;  // (3)typedef Ref reference;  // (4)typedef ptrdiff_t difference_type;  // (5)...
};

8. iterator_traits 类型萃取

但当我们向算法中传入的是指针，而不是迭代器时，就需要用到traits。也就是说，iterator_traits 为所有类型的迭代器（包括原生指针）提供统一的方式来访问迭代器的属性，是在 <iterator> 头文件中定义的。

作用：

std::iterator_traits 模板用于提取迭代器相关的类型信息。

举例:

#include<iostream>
#include<iterator>
#include<vector>template<typename Iterator>
void print_vector(Iterator first, Iterator last)
{// using关键字用来定义类型的别名// typename关键字告诉编译器这是一个依赖于模版参数Iterator的类型，而不是变量using ValueType = typename iterator_traits<Iterator>::value_type;
}int main()
{vector<int> v = {1,2,3,4,5};print_vector(v.begin(), v.end());
}

// 当Iterator是一个类时
template<class Iterator>
struct iterator_traits
{typedef typename Iterator::value_type value_type;
};// 两种偏特化情况
// 当Iterator是一个普通指针时
// 如int*,那么T为int，得到value_type就被定义为“int”
template<class T>
struct iterator_traits<T*>
{typedef T value_type;
};// 当Iterator是一个常量指针（指针的指向可以修改，指针指向的值不能修改)
template<class T>
struct iterator_traits<const T*>
{typedef T value_type;
};

• Iterator若是int*，ValueType 就是 int
• Iterator若是const int*，ValueType 还是 int
• 因为如果 ValueType 是 const int，后续再使用ValueType创建其他容器时，就会受到限制。因为标准库中的容器（如 std::vector）不能存储常量类型的元素,它们需要能被赋值和移动。

完整的iterator_traits:

template<class Iterator>
struct iterator_traits
{typedef typename Iterator::iterator_category iterator_category;typedef typename Iterator::value_type value_type;typedef typename Iterator::pointer iterator_category;typedef typename Iterator::reference reference;typedef typename Iterator::difference_type difference_type;
};template<class T>
struct iterator_traits<T*>
{typedef random_access_iterator_tag iterator_category;typedef T value_type;typedef ptrdiff_t difference_type;typedef T* pointer;typedef T& reference;
};template<class T>
struct iterator_traits<const T*>
{typedef random_access_iterator_tag iterator_category;typedef T value_type;typedef ptrdiff_t difference_type;typedef const T* pointer;typedef const T& reference;
};

9.容器vector

定义：

template <class T, class Alloc = std::allocator<T>>
class vector
{
public:typedef T value_type;typedef T* pointer;typedef &T reference;typedef size_t size_type;
protected:iterator **start**;iterator **finish**;iterator **end_of_range**;Allocator alloc;
public:iterator begin() { return **start**;}iterator end() { return **finish**;}size_type size const { return size_type(end() - start());}size_type capacity() const{ return size_type(**end_of_storage** - begin());}bool empty() const { return begin() == end();}reference operator[](size_type n}{return *(begin()+n);referebce front() {return *begin();}reference back() {return *(end()-1);}
};

push_back操作源码：

template <class T, class Alloc=std::allocator<T>>
void push_back(const T& value)
{if(finish == end_of_storage)  // 原始空间不足{size_type old_size = size();// old_size == 0:当前vector中没有任何元素，新分配的存储空间至少有一个元素的容量// old_size != 0:分配新的容量将是当前大小的两倍, 称为指数增长size_type new_capacity = old_size == 0 ? 1 : 2 * old_size;iterator new_start = alloc.allocator(new_capacity);iterator new_finsih = new_start;try{// 将原数据移动到新空间for(iterator old_iter = start; old_iter != finish; ){alloc.construct(new_finish++, *old_iter);alloc.destroy(old_iter++);}// 添加新元素alloc.construct(new_finish++, value);}catch(...){// 如果构造失败，释放已分配的内存for(iterator it=new_start; it!=new_finish; ++it){alloc.destory(it);}alloc.deallocate(new_start, new_capacity);throw;  // 重新抛出当前异常}// 释放旧空间if (start) {alloc.deallocate(start, end_of_storage - start);}// 更新指针start = new_start;finish = new_finish;end_of_storage = start + new_capacity;} else {alloc.construct(finish++, value); // 有足够空间，直接构造新元素}
}

vector的迭代器iterator：

template <class T, class Alloc = alloc>
class vector
{
public:typedef T value_type;typedef T* iterator;
};// 调用方法
vectot<int> v;
vector<int>::iterator it = v.begin();

10.容器deque

 

// BufSize是指缓冲区buffer的长度
template<class T,class Alloc = alloc, size_t BufSize=0>
class deque
{
public:typedef T value_type;typedef size_t size_type;typedef __deque_iterator<T,T&,T*,BufSiz> iterator;
protected:typedef T** map_pointer;  // 指向指针数组的指针
protected:iterator start;iterator finish;map_point map;  // 指向指针数组的指针，每一个都指向一个缓冲区size_type map_size;
public:iterator begin() {return start;}iterator end() {return finish;}size_type size() {return finish - start;}...
};

deque的迭代器iterator：

template<class T, class Ref, class Ptr, size_t BufSize>
struct __deque_iterator
{typedef random_access_iterator_tag iterator_category;typedef T value_type;typedef Ref reference; // T&typedef Ptr pointer; // T*typedef size_t size_type;typedef ptrdiff_t difference_type;typedef T** map_pointer;typedef __deque_iterator<T,Ref,Ptr,BufSiz> self;T* **cur**;T* **first**;T* **last**;map_point **node**;
};