安全向量模板类SiVector

实现一个安全向量模板类 SiVector，其设计目标是：在保持 std::vector 易用性的基础上，增强越界访问的安全性（避免崩溃），同时兼容 std::vector 的核心接口和使用习惯。支持嵌套使用（如 SiVector<std::vector<double>>），提供越界访问时的默认值返回或自动扩容机制，并支持与 std::vector 的双向类型转换。

实现

代码示例

#include <string>
#include <iostream>
#include <vector>
#include <iterator>

template <typename T>
class SiVector {
public:
    SiVector(T value) : m_defaultValue(value) {}
    SiVector(std::vector<T> data) : m_datas(data) {}
    SiVector(std::vector<T> data, T value) : m_datas(data), m_defaultValue(value) {}

    // ========== 构造函数：模仿std::vector ==========
    SiVector() : m_defaultValue(T()) {} 

    // 构造指定大小的容器，元素初始化为value（默认用默认值）
    explicit SiVector(uint32_t size, const T& value = T()) 
        : m_datas(size, value), m_defaultValue(T()) {}
    
    // 从迭代器范围构造
    template <typename InputIt>
    SiVector(InputIt first, InputIt last)
        : m_datas(first, last), m_defaultValue(T()) {}

    // 从初始化列表构造（支持 SiVector<int> v = {1,2,3};）
    SiVector(std::initializer_list<T> init) 
        : m_datas(init), m_defaultValue(T()) {}

    // 拷贝构造
    SiVector(const SiVector& other) = default;

    // 移动构造
    SiVector(SiVector&& other) noexcept = default;

    // 类型别名：模仿std::vector的迭代器类型
    // using value_type = T;
    using iterator = typename std::vector<T>::iterator;
    using const_iterator = typename std::vector<T>::const_iterator;
    // using reference = T&;
    // using const_reference = const T&;
    // using size_type = size_t;

    // ========== 赋值操作：模仿std::vector ==========
    SiVector& operator=(const SiVector& other) = default;
    SiVector& operator=(SiVector&& other) noexcept = default;
    SiVector& operator=(std::initializer_list<T> init) {
        m_datas = init;
        return *this;
    }

    // 重载[]：越界时返回默认值（const版）
    T& operator[](uint32_t index) {
        if (index >= m_datas.size()) {
            std::cout << "index out of range.   ";
            m_datas.resize(index + 1, m_defaultValue);
        }
        return m_datas[index];
    }

    const T& operator[](uint32_t index) const {
        if (index >= m_datas.size()) {
            std::cout << "index out of range.   ";
            return m_defaultValue;
        }
        return m_datas[index];
    }

    T& at(uint32_t index) {
        if (index >= m_datas.size()) {
            std::cout << "at index out of range.    ";
            return m_defaultValue;
        }
        return m_datas[index];
    }

    const T& at(uint32_t index) const {
        if (index >= m_datas.size()) {
            std::cout << "at index out of range.    ";
            return m_defaultValue;
        }
        return m_datas[index];
    }

    // 首尾元素访问
    T& front() { return m_datas.front(); }
    const T& front() const { return m_datas.front(); }
    T& back() { return m_datas.back(); }
    const T& back() const { return m_datas.back(); }

    // ========== 迭代器：支持范围for循环 ==========
    iterator begin() noexcept { return m_datas.begin(); }
    // const_iterator const begin() noexcept { return m_datas.begin(); }
    const_iterator const cbegin() noexcept { return m_datas.cbegin(); }

    iterator end() noexcept { return m_datas.end(); }
    // const_iterator const end() noexcept { return m_datas.end(); }
    const_iterator const cend() noexcept { return m_datas.cend(); }

    // ========== 容量操作：与std::vector一致 ==========
    bool empty() const noexcept { return m_datas.empty(); }
    uint32_t const size() noexcept { return m_datas.size(); }
    uint32_t capacity() const noexcept { return m_datas.capacity(); }

     // 调整大小（多余元素用默认值填充）
    void resize(uint32_t size) { m_datas.resize(size, m_defaultValue); } 
    void resize(uint32_t size , const T& value) { m_datas.resize(size, value); }
    
    // 预留容量
    void reserve(uint32_t size) { m_datas.reserve(size); }
    void shrink_to_fit() { m_datas.shrink_to_fit(); }

    operator std::vector<T>() const {
        return m_datas;
    }

    // ========== 修改操作：与std::vector一致 ==========
    void push_back(const T& value) { m_datas.push_back(value); }
    void push_back(T&& value) { m_datas.push_back(std::move(value)); }
    template <typename... Args>
    T& emplace_back(Args&&... args) { return m_datas.emplace_back(std::forward<Args>(args)...); } // std::forward<Args>(args)... 中的 ... 是必须的，它的作用是：将参数包 args 中的所有参数逐个展开，传递给 m_datas.emplace_back. 保持每个参数的转发语义（完美转发）
    void pop_back() {
        if (!m_datas.empty()) {
            m_datas.pop_back();
        }
    }

    // 插入元素（在pos位置插入value）
    iterator insert(const iterator pos, const T& value) {
        return m_datas.insert(pos, value);
    }

    iterator insert(const iterator pos, uint32_t size, const T& value) {
        return m_datas.insert(pos, size, value);
    }

    // 清除元素
    void clear() noexcept {
        m_datas.clear();
    }

    // 交换两个容器
    void swap(SiVector& other) noexcept {
        m_datas.swap(other.m_datas);
        std::swap(m_defaultValue, other.m_defaultValue);
    }
    
    operator std::vector<std::vector<T>>() const {
        std::vector<std::vector<T>> result;
        for (uint32_t i = 0; i< m_datas.size(); i++) {
            result.push_back(m_datas[i]);  
        }
        return result;
    }

    void setDefault(const T& defaultValue) {
        m_defaultValue = defaultValue;
    }

private:
    std::vector<T> m_datas;
    T              m_defaultValue{0};
};

int main() {
    std::vector<std::vector<double>> data{{0.2, 0.5}, {0.4, 100.5, 100.6}};
    SiVector<std::vector<double>>  vec(data);
    uint32_t index = 0;
    for (auto it : vec) {
        std::cout << "index[" << index << "]" << std::endl;
        index++;
        for (const auto& in : it) {
            std::cout << "value : " << in << std::endl; 
        }
    }

    std::vector<std::vector<double>> vec1 = vec;
    index = 0;
    for (auto it : vec1) {
        std::cout << "index[" << index << "]" << std::endl;
        index++;
        for (const auto& in : it) {
            std::cout << "value : " << in << std::endl; 
        }
    } 

    std::cout << vec[10000][5000] << std::endl;

    std::vector<double> vec2 = vec[3];
    // 访问vec2[5]有可能崩溃
    std::cout << vec2[5] << vec2.size() << std::endl;

    return 1;
}

重点解释

1. 类定义与模板基础

template <typename T>
class SiVector { ... };

• template <typename T>：模板类定义，使 SiVector 支持任意数据类型（如 int、double、std::vector<double> 等），具备通用性。
• 核心成员：
  • m_datas：内部使用 std::vector<T> 存储数据，复用标准容器的内存管理逻辑；
  • m_defaultValue：越界访问时返回的默认值（通过 setDefault 可自定义）。

2. 构造函数：兼容 std::vector 的初始化方式

SiVector 提供了多种构造函数，覆盖 std::vector 的常见初始化场景：

// 无参构造
SiVector() : m_defaultValue(T()) {} 

// 指定大小和初始值构造（explicit避免隐式类型转换）
explicit SiVector(uint32_t size, const T& value = T()) 
    : m_datas(size, value), m_defaultValue(T()) {}

// 迭代器范围构造（支持从其他容器复制元素）
template <typename InputIt>
SiVector(InputIt first, InputIt last)
    : m_datas(first, last), m_defaultValue(T()) {}

// 初始化列表构造（支持 SiVector<int> v = {1,2,3}; 语法）
SiVector(std::initializer_list<T> init) 
    : m_datas(init), m_defaultValue(T()) {}

// 拷贝构造与移动构造（=default 复用编译器默认实现）
SiVector(const SiVector& other) = default;
SiVector(SiVector&& other) noexcept = default;

• explicit：修饰单参数构造函数，避免意外的隐式类型转换（如 SiVector<int> v = 5; 会编译报错，需显式构造）。
• = default：对拷贝/移动构造使用默认实现，编译器会自动生成“逐成员拷贝/移动”的逻辑，简洁高效。

3. 元素访问：安全的 operator[] 与 at()

SiVector 的核心安全特性体现在元素访问接口，解决了 std::vector 越界访问崩溃的问题：

（1）operator[] 重载

// 非const版本：越界时自动扩容（保证修改操作安全）
T& operator[](uint32_t index) {
    if (index >= m_datas.size()) {
        std::cout << "index out of range.   ";
        m_datas.resize(index + 1, m_defaultValue);  // 扩容并填充默认值
    }
    return m_datas[index];
}
// const版本：越界时返回默认值（只读场景不修改容器）
const T& operator[](uint32_t index) const {
    if (index >= m_datas.size()) {
        std::cout << "index out of range.   ";
        return m_defaultValue;  // 不扩容，返回默认值
    }
    return m_datas[index];
}

• 核心逻辑：通过 index >= m_datas.size() 检查越界，非const对象越界时自动扩容（确保后续访问有效），const对象越界时返回默认值（避免修改const对象）。
• 优势：既避免了 std::vector::operator[] 越界导致的未定义行为（崩溃/数据错乱），又保持了类似数组的便捷访问语法。

（2）at() 方法

T& at(uint32_t index) {
    if (index >= m_datas.size()) {
        std::cout << "at index out of range.    ";
        return m_defaultValue;  // 越界返回默认值（与std::vector::at()抛异常不同）
    }
    return m_datas[index];
}

• 与 std::vector::at() 不同：std::vector::at() 越界会抛出 std::out_of_range 异常，而 SiVector::at() 越界返回默认值，进一步避免程序终止。

4. 迭代器：支持范围for循环

// 类型别名：复用std::vector的迭代器类型
using iterator = typename std::vector<T>::iterator;
using const_iterator = typename std::vector<T>::const_iterator;

// 迭代器接口
iterator begin() noexcept { return m_datas.begin(); }
const_iterator cbegin() noexcept { return m_datas.cbegin(); }
iterator end() noexcept { return m_datas.end(); }
const_iterator cend() noexcept { return m_datas.cend(); }

• 作用：通过提供 begin()/end() 等迭代器接口，SiVector 支持 C++ 范围for循环（for (auto x : vec) { ... }），语法与 std::vector 完全一致。
• 实现逻辑：直接复用内部 m_datas（std::vector）的迭代器，无需手动实现迭代器逻辑，简化代码且保证兼容性。

5. 容量管理：与 std::vector 行为一致

// 容量操作
uint32_t const size() noexcept { return m_datas.size(); }  // 实际元素数量
uint32_t capacity() const noexcept { return m_datas.capacity(); }  // 已分配内存容量
void resize(uint32_t size) { m_datas.resize(size, m_defaultValue); }  // 调整大小（填充默认值）
void reserve(uint32_t size) { m_datas.reserve(size); }  // 预分配容量（不改变大小）
void shrink_to_fit() { m_datas.shrink_to_fit(); }  // 收缩容量至实际大小

• 这些接口与 std::vector 功能完全一致，确保用户可以像管理 std::vector 一样管理 SiVector 的内存（如预分配容量提升性能、收缩容量节省内存）。

6. 类型转换：与 std::vector 双向兼容

SiVector 定义了类型转换运算符，支持与 std::vector 无缝转换：

// 转换为单层std::vector<T>
operator std::vector<T>() const {
    return m_datas;
}

// 转换为嵌套std::vector<std::vector<T>>（针对嵌套SiVector）
operator std::vector<std::vector<T>>() const {
    std::vector<std::vector<T>> result;
    for (uint32_t i = 0; i < m_datas.size(); i++) {
        result.push_back(m_datas[i]);  
    }
    return result;
}

• 使用场景：当需要调用接受 std::vector 参数的函数时，SiVector 对象可自动转换为 std::vector，无需手动拷贝（如 std::vector<std::vector<double>> vec1 = vec;）。

7. 修改操作：高效元素添加/删除

// 尾部添加元素（支持拷贝和移动语义）
void push_back(const T& value) { m_datas.push_back(value); }
void push_back(T&& value) { m_datas.push_back(std::move(value)); }

// 原地构造元素（避免拷贝，高效）
template <typename... Args>
T& emplace_back(Args&&... args) { 
    return m_datas.emplace_back(std::forward<Args>(args)...); 
}

• emplace_back 与完美转发：
  • Args&&... args 是可变参数模板（参数包），支持任意数量和类型的参数；
  • std::forward<Args>(args)... 中的 ... 用于展开参数包，将参数“完美转发”给 m_datas.emplace_back，实现元素在容器内部直接构造（无需临时对象拷贝），性能优于 push_back。

8. main 函数示例解析

int main() {
    // 1. 初始化嵌套SiVector（从std::vector<std::vector<double>>构造）
    std::vector<std::vector<double>> data{{0.2, 0.5}, {0.4, 100.5, 100.6}};
    SiVector<std::vector<double>>  vec(data);

    // 2. 范围for循环遍历（依赖迭代器实现）
    for (auto it : vec) { ... }

    // 3. 转换为std::vector并遍历
    std::vector<std::vector<double>> vec1 = vec;

    // 4. 越界访问测试（非const版本自动扩容）
    std::cout << vec[10000][5000] << std::endl;  // 外层越界自动扩容，内层同理

    // 5. 验证转换后的std::vector越界行为（可能崩溃，体现SiVector的安全性）
    std::vector<double> vec2 = vec[3];
    std::cout << vec2[5] << vec2.size() << std::endl;  // std::vector越界是未定义行为
}

• 示例展示了 SiVector 的核心特性：嵌套使用、范围遍历、类型转换、安全越界访问，同时对比了 std::vector 越界的风险，突出 SiVector 的安全性。

总结

SiVector 通过以下设计实现了“安全”与“兼容”的平衡：

1. 安全访问：operator[] 和 at() 越界时返回默认值或自动扩容，避免崩溃；
2. 接口兼容：模仿 std::vector 的构造函数、迭代器、容量管理接口，降低使用成本；
3. 高效转换：支持与 std::vector 双向转换，兼容标准库生态；
4. 性能优化：通过 emplace_back 完美转发和复用 std::vector 内存管理，保证效率。

适用于需要频繁访问元素且对稳定性要求高的场景。