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自己实现所有STL容器!

比起艰深的 STL 源码解读,不如自己动手实现STL,更能生动直观地掌握底层技术细节,破除模棱两可心理,了解常见的最佳实践。

作为一个教学用的 STL 实现,所有代码均写得尽量可读易懂,尽可能照顾 C++ 初学者,不像真正的标准库那样命名规范复杂,为了追求极致性能和灵活性牺牲可读性。代码中在必要时还附有注释帮助读者理解,建议结合我的 B 站视频观看。

第一课:Function

视频链接:BV1yH4y1d74e

相关文件:

这是本系列试水的第一课,自己实现std::function容器。本期视频中我们从C语言传统函数指针的痛点入手,介绍了现代C++的仿函数思想,通过cppinsights.io这个在线工具解构了C++11 lambda语法糖的原理,最终,我们借助类型擦除思想,实现了和标准库一样的万能函数容器:std::function。

第二课:UniquePtr

视频链接:BV1Hw411y7g5

相关文件:

小彭老师C++实战演练系列之“自己实现所有STL容器”。比起艰深的STL源码解读,不如自己动手实现STL,更能生动直观地掌握底层技术细节,破除模棱两可心理,了解常见的最佳实践。这是本系列试水的第二课,自己实现std::unique_ptr智能指针。本期视频中我们从封装C语言的FILE为内存安全的类的入手,介绍了现代C++如何借助RAII思想安全管理资源,避免内存泄漏,了解五大函数各自的作用。最终借助所学知识,实现了和标准库一样的独占型智能指针:std::unique_ptr。

第三课:Array

视频链接:BV1Tw411k7QB

相关文件:

小彭老师C++实战演练系列之“自己实现所有STL容器”。比起艰深的STL源码解读,不如自己动手实现STL,更能生动直观地掌握底层技术细节,破除模棱两可心理,了解常见的最佳实践。这是本系列试水的第三课,自己实现std::array静态数组。本期视频中我们从封装C语言的原始数组为深拷贝的容器类入手,介绍了现代C++如何借助封装思想把底层细节隐藏起来,初步认识了迭代器的概念,同时科普了正经的标准库中为什么都是形如_Tp、__traits这种一堆下划线开头的变量名。最终借助所学知识,封装了和标准库一样的静态数组:std::array。

第四课:Vector

视频链接:BV1V84y127Pi

小彭老师C++实战演练系列之“自己实现所有STL容器”。比起艰深的STL源码解读,不如自己动手实现STL,更能生动直观地掌握底层技术细节,破除模棱两可心理,了解常见的最佳实践。这是本系列试水的第四课,自己实现std::vector动态数组。本期视频中我们从封装C++98的new数组为深拷贝的容器类入手,介绍了现代C++如何借助RAII思想保障内存安全,初步认识了迭代器的概念,同时科普了size与capacity的区别,认识了push_back的底层原理。最终借助所学知识,封装了和标准库一样的动态数组:std::vector。

第五课:List

视频链接:BV1SC4y1G7Ab

相关文件:

小彭老师C++实战演练系列之“自己实现所有STL容器”。比起艰深的STL源码解读,不如自己动手实现STL,更能生动直观地掌握底层技术细节,破除模棱两可心理,了解常见的最佳实践。这是本系列试水的第五课,自己实现std::list双向循环链表。本期视频中我们从封装经典的双向循环链表为C++容器类入手,介绍了如何借助一个假节点避免尾节点特殊判断的开销,并深入认识了迭代器的分类,自己动手实现了一款双向迭代器,同时科普了代码复用(DRY原则)的重要性。最终借助所学知识,封装出了和标准库一样的双向循环链表容器std::list,完美支持增删改查等操作。

第六课:Optional

视频链接:BV1v6421Z7f8

相关文件:

小彭老师C++实战演练系列之“自己实现所有STL容器”。比起艰深的STL源码解读,不如自己动手实现STL,更能生动直观地掌握底层技术细节,破除模棱两可心理,了解常见的最佳实践。这是本系列试水的第六课,自己实现std::optional可选值容器。本期视频中我们介绍了如何借助tag类、union惰性初始化、万能引用、完美转发等技巧,实现一个可以存放任意类型的可选值容器。最终借助所学知识,封装出了和标准库一样的可选值容器std::optional,完美支持存放任意类型的值,同时支持为空。in_place和nullopt等tag类重载构造函数的妙用真是醍醐灌顶,我们不仅实现了value、value_or、emplace、*和->运算符,还实现了C++23新增的transform、and_then、or_else,彻底迈向函数式!介绍了C++17的CTAD机制,感受if-auto语法的简洁有力。最终,还顺便介绍了名字空间的ADL机制如何帮助多态,并实现了自适配swap。且C++14就能编译,如果你的编译器无法升级到C++17,可以集成小彭老师的Optional类,直奔C++23。

第七课:Map 与 Set

视频链接:BV1v6421Z7f8

相关文件:

小彭老师C++实战演练系列之“自己实现所有STL容器”。比起艰深的STL源码解读,不如自己动手实现STL,更能生动直观地掌握底层技术细节,破除模棱两可心理,了解常见的最佳实践。这是本系列试水的第七课,自己实现std::map与std::set容器。本期视频中我们介绍了红黑树这种特殊的二叉搜索树如何维持平衡,实现一个可以存放任意类型的有序键值对并去重容器。由于红黑树需要判断的边缘情况多而杂,一不留神就会写错、写漏,可能是本系列有史以来最难的一集。尝试过程中遇到无数的bug,小彭老师不得不参考了许多实现,最终借助所学知识才实现出了能正确运作的红黑树 _RbTreeBase,并在其基础上实现了 Map 和 Set 容器。支持了自定义比较器和内存分配器,也支持了 MultiMap 和 MultiSet,封装出了和标准库一样的std::map与std::set接口,完美支持增删改查等常规操作。

第八课:SharedPtr

视频链接:BV15eWZeuEsV

相关文件:

小彭老师C++实战演练系列之“自己实现所有STL容器”。比起艰深的STL源码解读,不如自己动手实现STL,更能生动直观地掌握底层技术细节,破除模棱两可心理,了解常见的最佳实践。这是本系列试水的第八课,自己实现std::shared_ptr智能指针。本期视频中我们介绍了如何借助引用计数器实现多个智能指针共享同一个资源,延长生命周期直到最后一份引用也已销毁才析构指向对象,并实现了自动释放资源的效果。通过实际操作,我们理解了为什么shared_ptr必须额外创建一个独立的管理块,也了解到make_shared合并内存分配的原理。介绍了shared_ptr将deleter类型擦除的优势,还看穿了shared_ptr所谓线程安全的实质:只有计数器是原子的。同时介绍了如何借助CRTP模板类std::enable_shared_from_this实现从this裸指针转换为shared_ptr智能指针的功能。最终,借助所学知识,实现了和标准库一样的共享型智能指针:std::shared_ptr。由于篇幅限制,暂时还没有实现weak_ptr和intrusive_ptr,以后有时间再来填坑。

第九课:Variant

视频链接:BV1f3CXYtE4x

相关文件:

小彭老师C++实战演练系列之“自己实现所有STL容器”。比起艰深的STL源码解读,不如自己动手实现STL,更能生动直观地掌握底层技术细节,破除模棱两可心理,了解常见的最佳实践。这是本系列试水的第九课,自己实现std::variant多态容器。本期视频中我们介绍了如何借助C++封装与不变量思想实现类型安全的union,利用placement-new实现就地构造,在同一块内存存储多个类型,并基于函数指针表跳转实现了O(1)复杂度的高效visit,并使用C++11模板变长参数包语法和折叠表达式实现任意数量类型的共同存储。通过实际操作,我们理解了为什么variant必须额外增加一个index字段,为什么标准库的get是全局函数而且需要恼人的模板参数,了解了模板函数的实例化机制如何赋能std::visit高效的静态分发,也了解到variant如何通过aligned_storage模仿union,让多个不同类型共用同一块内存的原理和好处。最终,借助所学知识,实现了和标准库一样的静态多态容器:std::variant及其相关函数。由于时间原因,暂时没有实现支持多参数的std::visit,决定留作回家作业,供学有余力的同学自己尝试实现。

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