怎么更好的设计C++栈对象("优化C++栈对象设计的实用技巧")

原创

ithorizon 7个月前 (10-19) 阅读数 17 #后端开发

优化C++栈对象设计的实用技巧

一、引言

在C++编程中，栈是一种常用的数据结构，用于存储和检索元素，遵循先入后出（FILO）的原则。一个良好的栈对象设计可以节约代码的可读性、可维护性和性能。本文将介绍一些实用的技巧，帮助你优化C++栈对象的设计。

二、使用模板实现泛型栈

使用模板可以使栈对象赞成多种数据类型，增多代码的复用性。下面是一个单纯的泛型栈类的实现：


template
class Stack {
private:
    std::vector elements; // 使用vector存储栈元素
public:
    void push(const T& element) {
        elements.push_back(element);
    }
    T pop() {
        if (elements.empty()) {
            throw std::out_of_range("Stack is empty");
        }
        T top = elements.back();
        elements.pop_back();
        return top;
    }
    bool empty() const {
        return elements.empty();
    }
    size_t size() const {
        return elements.size();
    }
};

三、提供迭代器赞成

为了使栈对象更加灵活，可以提供迭代器赞成，允许用户遍历栈中的元素。这可以通过继承标准库中的容器类实现，如下所示：


template
class Stack : public std::vector {
public:
    using std::vector::vector; // 继承构造函数
    T pop() {
        if (this->empty()) {
            throw std::out_of_range("Stack is empty");
        }
        T top = this->back();
        this->pop_back();
        return top;
    }
};

通过继承`std::vector`，我们自动获得了迭代器赞成。用户可以使用栈对象的迭代器遍历栈中的元素。

四、实现动态扩容

为了节约栈的性能，可以实现动态扩容。当栈空间不足时，自动增多存储空间。这可以通过重写`std::vector`的`capacity()`和`reserve()`方法来实现：


template
class Stack : public std::vector {
public:
    using std::vector::vector; // 继承构造函数
    void reserve(size_t new_capacity) {
        if (new_capacity > this->capacity()) {
            this->reserve(new_capacity);
        }
    }
    void push(const T& element) {
        if (this->size() == this->capacity()) {
            this->reserve(this->capacity() * 2); // 扩容为当前容量的两倍
        }
        this->push_back(element);
    }
};

五、提供异常处理

良好的异常处理机制可以使栈对象更加健壮。在栈操作中，常见的异常包括栈空和栈满。下面是怎样在栈类中实现异常处理：


template
class Stack {
private:
    std::vector elements;
public:
    void push(const T& element) {
        if (this->size() == this->capacity()) {
            throw std::length_error("Stack is full");
        }
        elements.push_back(element);
    }
    T pop() {
        if (elements.empty()) {
            throw std::out_of_range("Stack is empty");
        }
        T top = elements.back();
        elements.pop_back();
        return top;
    }
};

六、实现自定义分配器

在某些情况下，为了满足特定需求，也许需要实现自定义的内存分配器。自定义分配器可以优化内存使用，节约性能。下面是一个单纯的自定义分配器的示例：


template
class CustomAllocator {
public:
    using value_type = T;
    using pointer = T*;
    using const_pointer = const T*;
    using size_type = size_t;
    using difference_type = ptrdiff_t;
    CustomAllocator() = default;
    template
    CustomAllocator(const CustomAllocator&) {}
    pointer allocate(size_type n, const void* hint = 0) {
        return static_cast(::operator new(n * sizeof(T)));
    }
    void deallocate(pointer p, size_type n) {
        ::operator delete(p);
    }
    template
    void construct(U* p, Args&&... args) {
        ::new((void*)p) U(std::forward(args)...);
    }
    template
    void destroy(U* p) {
        p->~U();
    }
};
template>
class Stack {
private:
    std::vector elements;
public:
    // ...
};

七、提供便捷的成员函数

为了使栈对象更加易用，可以提供一些便捷的成员函数，如`top()`、`clear()`等。以下是怎样在栈类中添加这些函数：


template
class Stack {
private:
    std::vector elements;
public:
    T& top() {
        if (elements.empty()) {
            throw std::out_of_range("Stack is empty");
        }
        return elements.back();
    }
    const T& top() const {
        if (elements.empty()) {
            throw std::out_of_range("Stack is empty");
        }
        return elements.back();
    }
    void clear() {
        elements.clear();
    }
    // ...
};

八、使用智能指针管理资源

在栈对象中，如果涉及到动态分配资源，可以使用智能指针来管理这些资源，避免内存泄漏。以下是一个使用`std::unique_ptr`管理动态数组的示例：


template
class Stack {
private:
    std::unique_ptr elements;
    size_t current_size;
public:
    Stack() : elements(nullptr), current_size(0) {}
    void push(const T& element) {
        T* new_elements = new T[current_size + 1];
        for (size_t i = 0; i < current_size; ++i) {
            new_elements[i] = elements[i];
        }
        new_elements[current_size] = element;
        elements.reset(new_elements);
        ++current_size;
    }
    T pop() {
        if (current_size == 0) {
            throw std::out_of_range("Stack is empty");
        }
        T top = elements[current_size - 1];
        elements.reset(new T[current_size - 1]);
        --current_size;
        return top;
    }
    // ...
};