正常
综合项目:fixed_vector<T, N>
走到这里,本卷前 9 篇的概念该一起练手了。咱们实现一个 fixed_vector<T, N>:一个编译期固定容量、连续存储、零动态分配的 vector。它综合用到类模板、非类型模板参数、迭代器,如果您愿意还能用 CRTP 给迭代器加接口。这个练习不是空想,标准库的 std::inplace_vector(C++26)就是它的「官方版」,工业界早有 EASTL 的 fixed_vector、Boost 的 static_vector、Folly 的 small_vector 在用同一套思路。咱们写一个教学简化版,讲清每一块设计,最后和标准库对照。
目标:一个什么样的容器
先定清楚 fixed_vector 要满足什么。
第一,容量 N 在编译期固定,作为非类型模板参数。第二,元素连续存储,能用 operator[] 随机访问,裸指针能当迭代器用。第三,不分配堆内存,所有元素放在对象自身的存储里,这在嵌入式、实时系统、禁止异常分配的环境里特别有用。第四,元素数可以动态变化(从 0 到 N),这点和「编译期就构造所有元素」的 std::array 不同,fixed_vector 是按需构造。
这套目标和 std::inplace_vector 完全一致。cppreference 对 inplace_vector 的定义就是「a dynamically-resizable array with contiguous inplace storage」,容量编译期固定等于 N,元素存在对象自身内。咱们的 fixed_vector 是它的教学缩影。
实现骨架
模板签名是 template <typename T, std::size_t N>,一个类型参数加一个非类型参数。存储用 std::array<T, N> 当后端,省得自己管对齐和原始内存;再用一个 size_ 记录当前实际元素数。
cpp
#include <array>
#include <cstddef>
#include <stdexcept>
template <typename T, std::size_t N>
class FixedVector {
std::array<T, N> data_{}; // 定长存储,栈上,无堆分配
std::size_t size_ = 0;
public:
static constexpr std::size_t capacity_v = N;
// ... 成员函数
};data_ 是 std::array<T, N>,它本身就是连续存储,size_ 跟踪当前塞了多少元素。capacity_v 是一个静态常量,对外暴露容量,这正是非类型参数 N 的典型用法。
push_back 与边界处理
push_back 在尾部加一个元素。关键边界是容量耗尽:超过 N 时怎么办。标准库的 inplace_vector 在这种情况抛 std::bad_alloc(注意是 bad_alloc,不是 out_of_range,这是 inplace_vector 的规定)。咱们的教学版图省事抛 std::out_of_range,语义清楚就行。
cpp
constexpr void push_back(const T& value) {
if (size_ >= N) {
throw std::out_of_range("FixedVector full");
}
data_[size_++] = value;
}注意整个函数标了 constexpr,在 C++20 里这意味着 push_back 能在编译期执行(只要 T 的操作都是常量表达式)。fixed_vector 全套成员都能做成 constexpr,这是它和 std::array 一样适合编译期计算的好处。
元素访问与迭代器
operator[] 直接转发给底层 std::array,不做边界检查(和 std::vector::operator[] 一致,要检查用 at())。
cpp
constexpr T& operator[](std::size_t i) { return data_[i]; }
constexpr const T& operator[](std::size_t i) const { return data_[i]; }
constexpr std::size_t size() const { return size_; }迭代器是这份实现里最优雅的部分。因为元素连续存储,裸指针 T* 天生就是一个满足随机访问迭代器要求的类型(支持 *、++、+n、比较)。所以 begin() 和 end() 直接返回指针,不用自己定义迭代器类。
cpp
constexpr T* begin() { return data_.data(); }
constexpr T* end() { return data_.data() + size_; }
constexpr const T* begin() const { return data_.data(); }
constexpr const T* end() const { return data_.data() + size_; }data_.data() 返回底层数组的首元素指针,end() 指向「当前最后一个元素的下一个」。有了这组 begin/end,范围 for 循环、std::sort、std::find 这些标准算法都能直接用在 fixed_vector 上,因为它们要的只是迭代器接口,而裸指针正好满足。这是 STL「迭代器统一容器和算法」设计哲学的直接体现。
完整代码与实测
把上面的拼起来,加个 main 跑一遍。
展开代码 (共 39 行)收起代码
cpp
#include <array>
#include <cstddef>
#include <iostream>
#include <stdexcept>
template <typename T, std::size_t N>
class FixedVector {
std::array<T, N> data_{};
std::size_t size_ = 0;
public:
static constexpr std::size_t capacity_v = N;
constexpr void push_back(const T& value) {
if (size_ >= N) throw std::out_of_range("FixedVector full");
data_[size_++] = value;
}
constexpr T& operator[](std::size_t i) { return data_[i]; }
constexpr const T& operator[](std::size_t i) const { return data_[i]; }
constexpr std::size_t size() const { return size_; }
constexpr T* begin() { return data_.data(); }
constexpr T* end() { return data_.data() + size_; }
constexpr const T* begin() const { return data_.data(); }
constexpr const T* end() const { return data_.data() + size_; }
};
int main() {
FixedVector<int, 8> v;
for (int i = 1; i <= 5; ++i) v.push_back(i * 10);
std::cout << "size = " << v.size() << " capacity = " << decltype(v)::capacity_v << "\n";
std::cout << "elements: ";
for (auto x : v) std::cout << x << " ";
std::cout << "\n";
std::cout << "v[2] = " << v[2] << "\n";
std::cout << "sizeof(FixedVector<int,8>) = " << sizeof(FixedVector<int, 8>) << "\n";
std::cout << "sizeof(int*) = " << sizeof(int*) << " (对比:动态 vector 至少含 3 个指针)\n";
return 0;
}bash
$ g++ -Wall -Wextra -std=c++20 fixed_vector.cpp -o fixed_vector && ./fixed_vector
size = 5 capacity = 8
elements: 10 20 30 40 50
v[2] = 30
sizeof(FixedVector<int,8>) = 40
sizeof(int*) = 8 (对比:动态 vector 至少含 3 个指针)几条关键结果对一下。size = 5 capacity = 8:塞了 5 个,容量 8。范围 for 遍历输出 10 20 30 40 50,说明裸指针迭代器工作正常。v[2] = 30,operator[] 随机访问没问题。最有说服力的是 sizeof(FixedVector<int,8>) = 40:8 个 int 占 32 字节,加上 size_ 的 8 字节,正好 40,里面没有任何堆指针。对比之下,std::vector 至少含三个指针(数据指针、容量、大小),外加一次堆分配。
零动态分配,为什么重要
sizeof 没有堆指针,意味着 fixed_vector 的所有存储都在对象自身里。这带来几个实际好处。
性能可预测。没有堆分配,就没有分配器的开销和内存碎片,构造析构是确定的。在实时系统、游戏引擎的热点路径上,一次 std::vector 的堆分配可能就是几微秒的抖动,fixed_vector 完全没有。
异常安全边界清晰。fixed_vector 只在容量耗尽时抛异常(push_back 到 N 上限),不像 std::vector 扩容时可能因为分配失败抛 bad_alloc。在禁用异常或禁用堆的环境(很多嵌入式项目)里,fixed_vector 能用,std::vector 不能。
缓存友好。元素连续存储且在对象自身内,访问模式对 CPU 缓存非常友好,这点和 std::array、std::vector 一样。
和 std::inplace_vector(C++26)对比
std::inplace_vector 是这套思路的标准库版本,特性测试宏 __cpp_lib_inplace_vector(现行值 202603L),对应 C++26(早期提案瞄准过 C++23,最终落定 C++26)。它的设计和咱们的 fixed_vector 高度一致:编译期固定容量、连续存储、无堆分配、按需构造元素。
标准库版本比咱们的教学版完整得多。它有一整套成员函数:emplace_back、try_push_back(满了不抛异常,返回空的 std::optional<reference>)、unchecked_push_back(不检查,调用者自己保证没满,用于性能关键路径)、insert、erase、resize 等等。满了之后的策略也更细致:push_back 满了抛 std::bad_alloc,try_push_back 满了返回空 optional,unchecked_push_back 假定没满直接塞。这套「抛异常 / try / unchecked」三档 API,是工业级容器设计的成熟范式。
工业界在这之前早有同类实现。EASTL(EA 的 STL 替代)有 fixed_vector,Boost.Container 有 static_vector,Folly(Facebook)有 small_vector(带 small buffer 优化)。它们各有侧重,但核心都是「连续存储 + 编译期或半编译期容量 + 避免堆分配」。咱们的 FixedVector 把最核心的骨架抽出来讲明白,理解了它,再去读这些工业实现就轻松了。
可以接着扩展的方向
这个教学版还差几块,留作您练手的方向。
加 try_push_back 和 unchecked_push_back,对标 inplace_vector 的三档 API。try_push_back 返回 std::optional<reference>,满了返回空 optional(不抛异常);unchecked_push_back 假定没满,省掉检查。
用对齐的原始内存替代 std::array,实现「按需构造」。现在 std::array<T, N> 会默认构造所有 N 个元素,哪怕您只用 3 个;真正的 inplace_vector 用 alignas(T) 的原始字节数组,只在 push_back 时 placement new 构造元素,省掉无用构造。这块涉及 std::optional、placement new、手动析构,是更接近标准库实现的练手。
给迭代器加 CRTP 接口。如果您想让 fixed_vector 的迭代器支持一些自定义行为(比如调试模式下的边界检查),可以用 CRTP 写一个迭代器基类。这会把本卷第 9 篇的 CRTP 和这里的迭代器结合起来。
走到这里,本卷第一部分「模板基础(C++11-14)」就完整了。从一份代码配方讲起,经过函数模板的编译模型、类模板的惰性实例化、特化与偏特化的模式匹配、非类型参数、两阶段名字查找与 ADL、隐藏友元和 Barton-Nackman、别名模板、CRTP 静态多态,最后用 fixed_vector 把它们全焊在一起。第二部分(现代模板技术,C++17)会接着讲类型萃取、SFINAE、if constexpr、变参模板、折叠表达式、完美转发,把元编程的工具箱补齐;第三部分(C++20-23)再上 concepts、requires 和反射,把 TMP 从黑魔法变成人能写的代码。模板这条路,咱们才刚上道。