InfiniTensor冬季训练营实践编程基础课第三课《C++实践3》

1月6日，2025冬季 InfiniTensor 大模型与人工智能系统训练营编程基础课第三课开讲，课程主题为《C++实践3》。

本节课引入动态容量（capacity）概念，支持变长数组、实现动态内存分配（new/delete）、封装为Vector类、引入RAII（资源获取即初始化）、介绍运算符重载与模板类（Template）。

动态容量与变长数组

1. 问题引入

固定大小的数组局限性（如size=3无法存储更多元素）
变长数组（VLA）在C++中的不支持性

2. 解决方案：动态内存分配

使用new/new[]动态分配堆内存：

data = new double[capacity]; // 动态分配capacity大小的数组

初始化时设置初始容量（如capacity=16），size=0

3. 关键操作：push_back

功能：向数组末尾添加元素

void push_back(double elem) {
    if (size < capacity) {
        data[size] = elem;
        size++;
    }
}

内存管理与RAII

1. 内存分区概念

栈(Stack)：局部变量存储，自动管理，大小有限
堆(Heap)：动态内存分配，手动管理，空间较大

2. 动态内存的释放

问题：未释放new[]分配的内存导致泄漏
解决方案：在析构函数中delete[] data

3. RAII设计模式

构造函数（Constructor）：初始化资源（分配内存）
析构函数（Destructor）：释放资源（释放内存）

class Vector {
private:
    double* data;
    size_t size;
    size_t capacity;
public:
    Vector() : capacity(16), size(0) {
        data = new double[capacity];
    }
    ~Vector() { delete[] data; }
};

3. 访问控制：public与private

private：内部实现细节，外部不可访问
public：对外接口，外部可访问

运算符重载与封装

1. 下标运算符重载

operator[]实现数组式访问：

double operator[](size_t index) const {
    return data[index];
}

2. 常量成员函数

标记不修改对象状态的函数为const（如operator[]）：

double operator[](size_t index) const; // 声明为const函数

3. 方法封装

提供size()和capacity()方法替代直接访问成员变量：

size_t size() const { return size; }
size_t get_capacity() const { return capacity; }

模块化与头文件分离

1. 头文件（.h）与源文件（.cpp）

头文件声明类与接口：

// Vector.h
class Vector {
public:
    Vector();
    ~Vector();
    void push_back(double elem);
    double operator[](size_t index) const;
    size_t size() const;
private:
    double* data;
    size_t size;
    size_t capacity;
};

源文件实现细节：

// Vector.cpp
#include "Vector.h"
Vector::Vector() { /* ... */ }
Vector::~Vector() { /* ... */ }

2. 编译与链接

编译多文件项目：

g++ main.cpp Vector.cpp -o main

模板类（Template）

1. 泛型编程需求

问题：当前Vector仅支持double类型
目标：支持任意类型（如int、string）

2. 模板类实现

定义模板参数T：

template <typename T>
class Vector {
private:
    T* data;
    size_t size;
    size_t capacity;
public:
    Vector() : capacity(16), size(0) {
        data = new T[capacity];
    }
    void push_back(T elem) { /* ... */ }
    T operator[](size_t index) const { /* ... */ }
};

3. 使用模板类
实例化模板类：

Vector<int> int_vec;    // 存储int类型
Vector<string> str_vec; // 存储string类型

总结与展望

本节主要讲解了动态内存分配与RAII设计模式，运算符重载与访问控制，模块化编程与模板类。后续课程将继续深入讲解C++高级特性，并引入更多实际案例。

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