数据结构(02)_模板库的基础设施搭建-创新互联
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。
成都创新互联是一家专注于成都网站设计、成都网站建设与策划设计,安平网站建设哪家好?成都创新互联做网站,专注于网站建设十载,网设计领域的专业建站公司;建站业务涵盖:安平等地区。安平做网站价格咨询:189808205751.2.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：
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。
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
using namespace std;
template
void Swap(T& a, T& b)
{
T t = a;
a = b;
b = t;
}
template
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(d, c);
cout << "c = " << c << " " << "d = " << d << endl;
Op opInt;
Op 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
class SmartPointer
{
protected:
T* m_pointer;
public:
SmartPointer(T* p =NULL)
{
m_pointer = p;
}
SmartPointer(const SmartPointer& obj)
{
m_pointer = obj.m_pointer;
const_cast&>(obj).m_pointer = NULL;
}
SmartPointer& operator=(const SmartPointer& obj)
{
if(this != &obj)
{
delete m_pointer;
m_pointer = obj.m_pointer;
const_cast&>(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
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
4.2. 自定义异常类族
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
#include
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(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
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
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