本次更新介绍

本次更新主要引入了智能指针（std::unique_ptr）来管理内存，替代了原来的手动内存管理方式，具体更新点如下：

1. 内存管理改进

• 使用 std::unique_ptr<Type[]> 来管理 _data 数组，确保在对象生命周期结束时自动释放内存，避免了手动 delete[] 可能带来的内存泄漏问题。
• 同样使用 std::unique_ptr<Type> 来管理 _sum 和 _mean 指针，保证在对象析构时自动释放内存。

2. 代码简化与安全性提升

• 智能指针的使用简化了析构函数、拷贝构造函数和赋值运算符的实现，避免了手动内存管理的复杂性。
• 自动内存释放机制提高了代码的安全性，减少了因忘记释放内存而导致的潜在错误。

3. 示例代码更新

以下是部分使用智能指针更新后的代码示例：

// 构造函数中使用智能指针初始化 _data
explicit enhanced_vector(const int &size = 0, const Type &value = Type()) {
    _size = size;
    int tmp = 5;
    while ((1 << tmp) <= _size) {
        tmp++;
    }
    _capacity = (1 << tmp);
    _data = std::make_unique<Type[]>(_capacity);
    std::fill(_data.get(), _data.get() + _size, value);
    if (std::is_integral_v<Type> || std::is_floating_point_v<Type>) {
        _check = true;
        _sum = std::make_unique<Type>(0);
        _mean = std::make_unique<Type>(0);
        for (size_t i = 0; i < _size; ++i) {
            *_sum += _data[i];
        }
        if (_size == 0) {
            *_mean = 0;
        }
        else {
            *_mean = *_sum / _size;
        }
    }
    else {
        _check = false;
    }
}

Enhanced Vector

简介

Enhanced Vector 是一个扩展和修改了C++标准库中std::vector功能的容器类，提供了增强的向量操作和数值计算功能。此类库专为学习和实验目的设计，提供了标准vector的基本功能，同时添加了一些额外特性。

功能特点

基本容器操作

• 构造与析构

  • 默认构造函数：enhanced_vector(const int &size = 0, const Type &value = Type())
  • 迭代器区间构造：enhanced_vector(iterator first, iterator last)
  • 拷贝构造函数：enhanced_vector(const enhanced_vector &other)
  • 移动构造函数：enhanced_vector(enhanced_vector &&other)
  • 赋值运算符：operator=（拷贝和移动版本）
  • 析构函数：~enhanced_vector()

• 元素访问

  • 下标操作：operator[]
  • 首元素访问：front()
  • 尾元素访问：back()

• 迭代器

  • 正向迭代器：begin(), end()
  • 常量迭代器：cbegin(), cend()
  • 反向迭代器：rbegin(), rend()
  • 常量反向迭代器：crbegin(), crend()

• 容量操作

  • 大小查询：size()
  • 容量查询：capacity()
  • 判断是否为空：empty()
  • 调整大小：resize(const int &new_size), resize(const int &new_size, const Type &value)
  • 预留空间：reserve(const int &new_capacity)
  • 收缩到适合大小：shrink_to_fit()

• 修改操作

  • 尾部添加元素：push_back(const Type &value)
  • 尾部移除元素：pop_back()
  • 头部添加元素：push_front(const Type &value)
  • 头部移除元素：pop_front()
  • 插入元素：insert(iterator pos, const Type &value)
  • 删除元素：erase(iterator pos), erase(iterator first, iterator last)
  • 清空容器：clear()
  • 赋值：assign(iterator first, iterator last), assign(const int &size, const Type &value)

增强功能

• 数值操作（仅适用于数值类型）

  • 求和：sum()
  • 求平均值：mean()

• 向量运算

  • 向量加法：operator+（数值类型执行对应位置元素相加，非数值类型执行拼接）
  • 向量减法：operator-（仅适用于数值类型）
  • 向量内积：operator*（仅适用于数值类型）
  • 向量拼接：operator+=

• 比较操作

  • 相等比较：operator==, operator!=
  • 大小比较：operator<, operator<=, operator>, operator>=

• 输入输出

  • 输出流：operator<<
  • 输入流：operator>>
  • 打印功能：print(iterator first, iterator last)

与std::vector对比

相同点

• 提供了动态数组的基本功能
• 支持随机访问、迭代器操作
• 提供了大部分标准容器所需的成员函数

增强功能

1. 双端操作：除了push_back和pop_back外，还提供了push_front和pop_front操作
2. 数值统计：对数值类型提供了求和和求平均值功能
3. 向量运算：支持向量加法、减法和内积运算
4. 容量控制：使用2的幂次方扩容策略
5. 输出格式化：提供了格式化输出功能

优势

1. 功能整合：结合了vector和部分deque的功能
2. 数学运算：内置数值计算功能，适合数据分析场景
3. 数据感知：自动识别数值类型并提供相应操作
4. 友好接口：提供了直观的打印和流操作接口

不足

1. 性能开销：

   • push_front和pop_front操作需要移动所有元素，时间复杂度为O(n)
   • 数值统计功能需要额外存储和计算开销
   • 某些操作可能导致不必要的内存重分配

2. 内存管理：

   • 使用固定的幂次方扩容策略，可能造成内存浪费
   • addCapacity方法中存在内存泄漏问题（临时数组_temp_data未正确初始化）

3. 设计限制：

   • 向量运算仅支持数值类型
   • 缺少一些现代C++容器的高级功能（如emplace系列操作）
   • 未实现移动语义优化的插入操作

4. 安全性：

   • 部分操作缺少边界检查
   • 重载运算符时缺少类型安全检查

使用示例

方式一：直接包含头文件（仅头文件库）

#include "enhanced_vector.hpp"
#include <iostream>

int main() {
    // 创建整数向量
    enhanced::enhanced_vector<int> vec1(5, 10);  // 创建包含5个值为10的元素的向量
    
    // 添加元素
    vec1.push_back(20);
    vec1.push_front(5);
    
    // 打印向量
    std::cout << "vec1: " << vec1 << std::endl;
    
    // 数值计算
    std::cout << "Sum: " << vec1.sum() << std::endl;
    std::cout << "Mean: " << vec1.mean() << std::endl;
    
    // 创建另一个向量
    enhanced::enhanced_vector<int> vec2(vec1.size(), 1);
    
    // 向量运算
    auto vec3 = vec1 + vec2;
    std::cout << "vec1 + vec2: " << vec3 << std::endl;
    
    int dot_product = vec1 * vec2;
    std::cout << "vec1 * vec2 (dot product): " << dot_product << std::endl;
    
    return 0;
}

方式二：链接静态库

文件中包含libenhanced.a，以下是链接和使用该库的示例：

项目结构

project/
├── include/
│   └── enhanced_vector.hpp
├── lib/
│   └── libenhanced.a
└── src/
    └── main.cpp

编译命令

# 在项目根目录下执行以下命令编译程序
g++ -o myprogram src/main.cpp -I./include -L./lib -lenhanced -std=c++17

main.cpp 示例

#include <enhanced_vector.hpp>
#include <iostream>
#include <vector>

// 示例：使用enhanced_vector进行数据分析
void analyze_data(const std::vector<double>& raw_data) {
    // 将std::vector数据转换到enhanced_vector
    enhanced::enhanced_vector<double> enhanced_data;
    for (const auto& value : raw_data) {
        enhanced_data.push_back(value);
    }
    
    // 使用enhanced_vector的增强功能
    std::cout << "数据集: " << enhanced_data << std::endl;
    std::cout << "数据量: " << enhanced_data.size() << std::endl;
    std::cout << "数据总和: " << enhanced_data.sum() << std::endl;
    std::cout << "数据平均值: " << enhanced_data.mean() << std::endl;
    
    // 创建另一个数据集进行对比
    enhanced::enhanced_vector<double> baseline(enhanced_data.size(), 1.0);
    
    // 计算差异
    auto difference = enhanced_data - baseline;
    std::cout << "与基准的差异: " << difference << std::endl;
    
    // 计算内积（可用于相似度计算）
    double dot = enhanced_data * baseline;
    std::cout << "与基准的内积: " << dot << std::endl;
}

int main() {
    // 示例数据
    std::vector<double> measurements = {1.2, 3.4, 2.5, 4.6, 3.7, 5.8};
    
    // 分析数据
    analyze_data(measurements);
    
    return 0;
}

CMakeLists.txt 示例

如果使用CMake构建系统，可以使用以下CMakeLists.txt：

cmake_minimum_required(VERSION 3.10)
project(EnhancedVectorDemo)

set(CMAKE_CXX_STANDARD 17)
set(CMAKE_CXX_STANDARD_REQUIRED ON)

# 指定头文件目录
link_directories(${CMAKE_SOURCE_DIR}/lib)

# 指定库文件目录
include_directories(${CMAKE_SOURCE_DIR}/include)

# 添加可执行文件
add_executable(${PROJECT_NAME} main.cpp)

# 链接静态库
target_link_libraries(${PROJECT_NAME} enhanced_vector.a)

未来改进方向

1. 修复内存管理问题，特别是addCapacity方法中的内存泄漏
2. 优化push_front和pop_front操作，考虑使用双向缓冲区或环形缓冲区实现
3. 添加更多现代C++容器特性，如emplace系列操作
4. 提高类型安全性和边界检查
5. 考虑使用更灵活的内存扩容策略
6. 添加更多数值计算功能（如标准差、中位数等）
7. 实现更完善的异常处理机制