【C/C++】纯C实现变长数组
编写一个动态数组库可以帮助我们深入理解数据结构和内存管理，特别是在没有 C++ STL 的情况下使用 C 语言创建动态数组。我们将逐步搭建这个动态数组库（称为 Vector），并逐行解释其实现方式，让读者理解每一行代码的作用和实现细节。
基础结构设计
在 C 语言中，我们常使用固定大小的数组，但动态数组则能灵活扩展。这里的目标是设计一个宏生成的动态数组结构体，确保我们能在编译时创建适用于各种数据类型的动态数组。
#define Vector(type) \
struct {
\
size_t size; \
size_t capacity; \
type *data; \
}
解释：
Vector(type)是一个宏，它使用传入的type数据类型定义了一个动态数组的结构体。size_t size：用于跟踪数组中元素的数量。size_t capacity：记录当前分配的内存空间允许存储的最大元素数。type *data：存储实际数据的指针。
注意：我们没有使用命名空间封装，因为这是 C 语言而非 C++。这个宏将在使用时扩展为结构体定义，使用时需实例化变量并指定 type 类型。
初始化动态数组
为了使用动态数组，我们需要一个初始化宏，用于设置 size 和 capacity 的初始值。
#define VecInit(vec) \
do {
\
(vec).size = 0; \
(vec).capacity = 0; \
(vec).data = NULL; \
} while (0)
解释：
VecInit是初始化宏，用于将动态数组的size和capacity设置为 0，并将data指针初始化为NULL。- 使用
do...while(0)包裹是 C 中的一种安全宏写法，可以避免宏在使用过程中出现错误。
销毁动态数组
为了避免内存泄漏，在不再需要动态数组时，我们应当释放它所占用的内存。
#define VecDestroy(vec) free((vec).data)
解释：
free((vec).data)用于释放data指针所指向的内存。注意我们只释放data的内存，因为size和capacity是栈上分配的，不需要显式释放。
访问动态数组的元素
创建一个简单的宏，用于直接访问数组的元素：
#define VecAt(vec, i) ((vec).data[(i)])
解释：
VecAt宏用于访问索引i处的元素，相当于数组的下标运算。- 需要注意访问的
i索引应在size范围内，否则可能引发越界错误。
弹出元素
我们实现一个弹出数组最后一个元素的功能，并减少数组的 size。
#define VecPop(vec) ((vec).data[--(vec).size])
解释：
VecPop将size减一，并返回该位置的元素。因为我们并未真正删除内存中的值，只是标记最后一个元素不可用。
获取数组的大小和容量
我们提供两个简单的宏来获取数组的大小和容量，便于在使用过程中查看动态数组的状态。
#define VecSize(vec) ((vec).size)
#define VecCapacity(vec) ((vec).capacity)
解释：
VecSize返回动态数组的当前元素个数，而VecCapacity则返回已分配的内存容量。
调整数组容量
动态数组的核心是可以在容量不够时自动扩展，我们通过 VecResize 宏来实现这一点。
#define VecResize(vec, new_size) \
do {
\
(vec).capacity = (new_size); \
(vec).data = (typeof((vec).data))realloc((vec).data, sizeof(*(vec).data) * (vec).capacity); \
} while (0)
解释：
VecResize将capacity设置为new_size，并使用realloc重新分配data指针的内存空间。(typeof((vec).data))是 GNU C 扩展typeof的用法，用于确保realloc返回的void*被转换为正确的指针类型。realloc将现有数据复制到新分配的内存空间中。如果new_size小于当前容量，则会截断数据。
复制动态数组
在某些情况下，我们可能需要将一个动态数组的内容复制到另一个数组中，这可以通过 VecCopy 宏来实现。
#define VecCopy(dest, src) \
do {
\
if ((dest).capacity < (src).size) \
VecResize(dest, (src).size); \
(dest).size = (src).size; \
memcpy((dest).data, (src).data, sizeof(*(src).data) * (src).size); \
} while (0)
解释：
VecCopy首先检查dest的容量是否大于src的大小，如果不是则调整dest的大小。- 然后使用
memcpy复制数据内容。
添加元素到数组
当数组满时自动扩展容量，将新元素添加到数组尾部。
#define VecPush(vec, value) \
do {
\
if ((vec).size == (vec).capacity) {
\
(vec).capacity = (vec).capacity ? (vec).capacity * 2 : 2; \
(vec).data = (typeof((vec).data))realloc((vec).data, sizeof(*(vec).data) * (vec).capacity); \
} \
(vec).data[(vec).size++] = (value); \
} while (0)
解释：
VecPush首先检查是否已达当前容量限制，若已满则将容量扩大一倍（或最小值 2）。realloc调整data指针的内存空间，并将新元素value放入数组的尾部。
排序数组
我们可以使用 C 标准库中的 qsort 函数对数组进行排序。
#define VecSort(vec, cmp) \
do {
\
if ((vec).size > 1) {
\
qsort((vec).data, (vec).size, sizeof(*(vec).data), cmp); \
} \
} while (0)
解释：
VecSort使用qsort对数组进行排序，需要传入比较函数cmp。- 这里的
qsort将data中的元素按指定的比较规则排序。 cmp是用户自定义的比较函数，用于指定排序方式。
非GCC实现
typeof 是 GCC 提供的扩展，不在 C 标准中，因此在其他编译器（如 MSVC、Clang 在标准模式下）中可能不可用。为了确保跨平台兼容性，typeof 可以用更通用的写法替代，比如通过传入数据类型参数来避免依赖非标准的特性。
例如，可以重构如下：
#define Vector(type) \
struct {
\
size_t size; \
size_t capacity; \
type *data; \
}
#define VecResize(vec, type, new_size) \
do {
\
(vec).capacity = (new_size); \
(vec).data = (type *)realloc((vec).data, sizeof(type) * (vec).capacity); \
} while (0)
#define VecPush(vec, type, value) \
do {
\
if ((vec).size == (vec).capacity) {
\
(vec).capacity = (vec).capacity ? (vec).capacity * 2 : 2; \
(vec).data = (type *)realloc((vec).data, sizeof(type) * (vec).capacity); \
} \
(vec).data[(vec).size++] = (value); \
} while (0)
在这里：
- 我们在
VecResize和VecPush宏中加入了type参数，避免使用typeof关键字。 - 调用
VecPush和VecResize时，需要显式指定数据类型，如VecPush(my_vector, int, 5);，从而确保在任何编译器上都能正确识别并处理指针类型转换。
这种写法稍显冗长，但可以更好地兼容不同的编译器。
总结
通过以上宏，我们实现了一个基础的 C 语言动态数组库，包括初始化、销毁、添加、访问、弹出、复制和排序等操作。这个库使用 C 的动态内存管理来支持数组自动扩展，适用于任意类型的数据。这种宏定义的写法避免了复杂的函数模板，便于理解和扩展。下面展示了完整代码：
#ifndef VECTOR_H
#define VECTOR_H
#include <stdlib.h> // 引入标准库，便于使用内存管理函数
// 定义动态数组结构体
#define Vector(type) \
struct {
\
size_t size; \
size_t capacity; \
type *data; \
}
// 初始化动态数组
#define VecInit(vec) \
do {
\
(vec).size = 0; \
(vec).capacity = 0; \
(vec).data = NULL; \
} while (0)
// 销毁动态数组，释放内存
#define VecDestroy(vec) free((vec).data)
// 获取索引 i 处的元素
#define VecAt(vec, i) ((vec).data[(i)])
// 弹出最后一个元素
#define VecPop(vec) ((vec).data[--(vec).size])
// 获取当前元素个数
#define VecSize(vec) ((vec).size)
// 获取当前容量
#define VecCapacity(vec) ((vec).capacity)
// 调整动态数组容量
#define VecResize(vec, new_size) \
do {
\
(vec).capacity = (new_size); \
(vec).data = (typeof((vec).data))realloc((vec).data, sizeof(*(vec).data) * (vec).capacity); \
} while (0)
// 复制另一个动态数组的内容
#define VecCopy(dest, src) \
do {
\
if ((dest).capacity < (src).size) \
VecResize(dest, (src).size); \
(dest).size = (src).size; \
memcpy((dest).data, (src).data, sizeof(*(src).data) * (src).size); \
} while (0)
// 向动态数组末尾添加元素，如果需要，自动扩展数组容量
#define VecPush(vec, value) \
do {
\
if ((vec).size == (vec).capacity) {
\
(vec).capacity = (vec).capacity ? (vec).capacity * 2 : 2; \
(vec).data = (typeof((vec).data))realloc((vec).data, sizeof(*(vec).data) * (vec).capacity); \
} \
(vec).data[(vec).size++] = (value); \
} while (0)
// 对动态数组进行排序
#define VecSort(vec, cmp) \
do {
\
if ((vec).size > 1) {
\
qsort((vec).data, (vec).size, sizeof(*(vec).data), cmp); \
} \
} while (0)
#endif // VECTOR_H