C、C++之動態數組的實現
本篇博客基於筆者本人正在學習的C++上機課程作業，主要代碼由C語言構成。由於C語言沒有 string 、vector、valarray等完善的類，所以在實現動態數組時，需要自行考慮內存的分配和管理，C語言中，對內存管理的函數如malloc、realloc、free等被包括在 < malloc .h >頭文件中。關於這些函數使用的具體實例，可以參考這篇文章： C語言動態內存管理malloc、calloc、realloc、free的用法和注意事項
具體實現時，使用了某些 C++ 的特有語法，如在for循環里定義 變量，這是C語言不允許的，但由於現有現有編譯器一般都同時支持，因此不特別注明
下面會貼出實驗課上所用的測試代碼，針對測試代碼，可以發現，實現一個動態數組不難，因為已經有現成的函數可以調用，而針對數組的操作較多，需要逐一討論
測試文件如下：
// LibArray.cpp : 定義控制台應用程序的入口點。
//
// 實驗內容：
// 1：使用C語言實現一個長度可擴充的數組（包含必要的數據結構及函數）；
// 2：要求能存放任意類型的數據（建議先實現存儲整形的代碼，之后改寫成適應任意類型的代碼）；
// 3：所寫程序需能通過測試程序
// 4：除本文件（測試文件）之外，其他文件（如CLibArray.cpp及CLibArray.h文件）、以及工程由同學自己建立。過程中可翻書，可查看msdn。
// 實驗目的：
// 1：熟悉相關的指針操作, 復習動態內存的相關操作.
// 2：理解C程序如何實現數據類型和圍繞數據類型上操作的集合
// 3：為未來理解類實現的數組vector做准備
// 只提交CLibArray.cpp及CLibArray.h
#include "stdafx.h"
#include <assert.h>
#include<stdlib.h>
#include "CLibArray.h"
int _tmain(int argc, _TCHAR* argv[])
{
CArray array;
array_initial(array);
array_recap(array, 10);
assert(array_capacity(array) == 10);
//////////////////////////////////////////////////////////////////////////
for (int i = 0; i < 20; ++i)
{
array_append(array, i);
}
assert(array_size(array) == 20);
for (int i = 0; i < array_size(array); ++i)
{
assert(array_at(array, i) == i);
}
//////////////////////////////////////////////////////////////////////////
CArray array2, array3;
array_initial(array2);
array_initial(array3);
array_copy(array, array2);
assert(array_compare(array, array2) == true);
array_copy(array, array3);
assert(array_compare(array, array3) == true);
//////////////////////////////////////////////////////////////////////////
array_insert(array2, 2, 3);
assert(array_compare(array, array2) == false);
//////////////////////////////////////////////////////////////////////////
array_at(array3, 2) = 5;
assert(array_compare(array, array3) == false);
//////////////////////////////////////////////////////////////////////////
array_destroy(array);
array_destroy(array2);
array_destroy(array3);
return 0;
}
可以看出，首先要確定 CArray 的具體類型，以 int 型為例，動態數組具有可變的容量（capacity，已分配空間）和 實際大小（size，已使用的空間），而malloc等函數的參數要求都是指針，因此，可以把 CArray 定義為結構體：
// defination of CArray
typedef struct CArray
{
int* arrayhead;
int size;
int capacity;
}CArray;
注意，在結構體中（c++中，結構體可以看做是簡單的類），是不允許初始化普通成員的，因為上述代碼只是給出此類型的定義，而沒有定義實際的變量。能初始化的只有不隨變量變化的靜態成員。
array_initial函數
考慮 array_initial 函數，需要對 CArray 成員進行初始化，但是注意到測試文件（LibArray.cpp）中，是先定義了一個 CArray型的變量 array，再將其作為參數傳入 array_initial 中，因此函數的參數應當是引用，如果設置為傳值調用，則相當於沒有對實參作出初始化，就賦值給形參，編譯器將報錯。
我實現的 array_initial 定義為
void array_initial(CArray &array)
{
array.arrayhead = NULL;
array.size = 0;
array.capacity = 0;
}
array_recap函數##
考慮第一個 assert 斷言（關於斷言的作用可以參考assert()函數用法總結），由函數名可見， array_recap 需要給 array 分配十個單位長度的空間（在此，單位長度即為sizeof（int））；
為了函數的通用性而非只針對測試文件，需要考慮要求分配的空間 capacity 與實際已有容量 array.capacity 的大小關系，考慮到已存放的數據的長度array.size 可能會變，需要進一步設置。核心代碼如下：
array.capacity = capacity;
array.size = array.size > capacity ? capacity : array.size;
int* buffer = NULL;
buffer= (int*) realloc(buffer, sizeof(int) * capacity);
for (int i = 0; i < array.size; i++)
buffer[i] = array.arrayhead[i];
free(array.arrayhead);
array.arrayhead = buffer;
其中， array.size 取決於分配后的實際長度。
array_append函數##
顧名思義，此函數需要向已分配空間中追加，由下文的array_at函數可以看到， append函數不僅要做到空間的追加分配，還要同時向已有空間賦值，且下標即為對應空間的值。
注意到我們不必寫出append的具體方式，而可以調用已有的recap函數進行空間的分配。 具體代碼如下：
void array_append(CArray &array, int num)
{
if (num+1 > array.capacity)
{
array_recap(array, num+1);
}
array.arrayhead[array.size++] = num` `
}
array_capacity 和 array_size函數##
array_size 和 array_capacity 函數則只需返回結構體相應的數值即可。不多贅述。
int array_capacity(const CArray &array)
{
return array.capacity;
}
int array_size(const CArray& array)
{
return array.size;
}
array_at函數##
這個函數比較特殊，從兩個方面來討論：
- LibArray.cpp中第一次調用此函數的代碼是這樣的：
for (int i = 0; i < array_size(array); ++i)
{
assert(array_at(array, i) == i);
}
可見，函數的返回值應當是 int 型的值（或者至少是整型，在C語言中），才能與 i 進行比較。從這段代碼也可以看出，之前在 array_append 函數中，應當在 下標為 i 的地方賦值為 i。
2.問題出在第二次調用：
array_at(array3, 2) = 5;
注意，如果返回值是一個 int 類型的值，那么它無法作為“可修改的左值”來參與賦值，也就是說， 無法實現 2 = 3 這樣的操作。然而在上一小節可以看出，其返回值確實是一個整型量。
如何解決這個問題？ 可能有朋友會猜想使用指針，但是 由於測試文件 LibArray 不可修改，因此能做的就是尋找到一種合適的返回值。在 C++ 中就有這樣一種“神器”：引用。
關於引用的具體用法，可以參考這篇文章：C++中引用（&）的用法和應用實例
另外，筆者在《C++ Primer Plus》中，也讀到了關於引用作為返回值的有關內容：
//《C++ Primer Plus》(第6版) 中文版
// P449 - P450頁
// 返回指向非 const 對象的引用
String s1("Good stuff");
String s2, s3;
s3 = s2 =s1;
在上述代碼中，s2.operator=() 的返回值被賦給 s3。 為此， 返回 String 對象或 String 對象的引用都是可行的。但與 Vector 示例中一樣， 通過使用 引用， 可避免該函數調用 String 的復制構造函數來創建一個新的 String 對象。 在這個例子中， 返回類型不是 const ，因為方法 operator=() 返回一個指向 s2 的引用， 可以對對象進行修改。
可見，返回值如果是一個引用（注意這個引用不能是在函數體內新定義的變量， 否則根據 C語言 變量的生存期規則，函數執行結束時，變量的內存會被釋放，因此無法使用這塊內存， 引用也就成了非法），那么既可以讀取它的值，也可以對內存中的值進行再賦值。代碼如下：
TypeName& array_at(const CArray &a, int num)
{
return a.arrayhead[num];
}
array_copy函數##
要對 CArray 結構進行整體的復制（從array 到 array2），必須要保證函數代碼執行結束后，兩個變量的所有參數都是一致的。具體實現時，可以先對array2（也就是形參中的 b 結構）進行內存分配， 大小與 array（形參中的 a 結構）的容量capacity是一致的。
其次，再將 array 中已有賦值的區域逐個復制給 array2.代碼如下：
void array_copy(const CArray &a, CArray &b)
{
array_recap(b, a.capacity);
for (int i = 0; i < a.size; i++)
b.arrayhead[i] = a.arrayhead[i];
b.size = a.size;
}
array_compare函數##
要比較兩個 CArray 結構是否完全一致，必須先確定其 capacity 和 size 的大小是否相同，最后再逐個比較內存中元素的值。若完全相同，返回值為 true，否則為 false。函數的返回值為 bool 類型，若編譯器不支持這種類型， 可以修改為 int 類型的變量，並定義特殊值為 true 、 false。具體代碼如下：
bool array_compare(const CArray a, const CArray b)
{
if (a.size != b.size)
{
printf("Their size are not equal, check out in array_compare().\n");
return false;
}
if (a.capacity != b.capacity)
{
printf("Their capacity are not equal, check out in array_compare().\n");
return false;
}
for (int i = 0; i < a.size; i++)
{
if (a.arrayhead[i] != b.arrayhead[i])
{
printf("They are not equal in the NO.%d place\n", i);
return false;
}
}
return true;
}
array_insert函數##
根據 LibArray.cpp中調用代碼：
array_insert(array2, 2, 3);
可見，第一個參數是要插入的 CArray 結構， 第二和第三個參數則是插入的位序 num 及其值 value（順序無關緊要）。
要實現此函數，就必須先確定位序和待插入結構的capacity大小關系。如果 位序大於其容量，則插入無從談起。若小於，則首先應重新分配 動態數組的大小應將動態數組中從 num 開始 一直到 capacity 的值后移一位，最后再將 第 num 位賦值為 value。代碼如下：
void array_insert(CArray &array, int num, TypeName value)
{
if(num > array.capacity)
{
printf("Cannot insert, the num is larger than capacity, check out in array_insert().\n");
exit(0);
}
else
{
array_recap(array, array.capacity + 1);
for (int i = array.capacity - 1; i >= num; i--)
array.arrayhead[i] = array.arrayhead[i - 1];
array.arrayhead[num - 1] = value;
array.size += 1;
}
}
array_destroy函數##
在 C語言和 C++中，內存的管理是十分重要的，如果沒有用free函數釋放 由 malloc 等函數分配的內存，就會造成內存泄漏。（C++中， 必須用 delete 來刪除對應的由 new 分配的內存）。因此在程序結束前（或某個變量使用完成后），有必要釋放內存空間，並將其參數置為合適的值（一般為零）。具體代碼如下：
void array_destroy(CArray &array)
{
free(array.arrayhead);
array.arrayhead = NULL;
array.capacity = 0;
array.size = 0;
}