第十二章 动态内存 exce

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第十二章 动态内存

练习12.1

在此代码的结尾，b1 和 b2 各包含多少个元素？

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StrBlob b1;
{
	StrBlob b2 = {"a", "an", "the"};
	b1 = b2;
	b2.push_back("about");
}

解：

它们实际操作的是同一个vector，都包含4个元素。在代码的结尾，b2 被析构了，不影响 b1 的元素。

练习12.2

编写你自己的StrBlob 类，包含const 版本的 front 和 back。

解：

头文件：

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#include <vector>
#include <string>
#include <initializer_list>
#include <memory>
#include <exception>

using std::vector; using std::string;

class StrBlob {
public:
    using size_type = vector<string>::size_type;

    StrBlob():data(std::make_shared<vector<string>>()) { }
    StrBlob(std::initializer_list<string> il):data(std::make_shared<vector<string>>(il)) { }

    size_type size() const { return data->size(); }
    bool empty() const { return data->empty(); }

    void push_back(const string &t) { data->push_back(t); }
    void pop_back() {
        check(0, "pop_back on empty StrBlob");
        data->pop_back();
    }

    std::string& front() {
        check(0, "front on empty StrBlob");
        return data->front();
    }

    std::string& back() {
        check(0, "back on empty StrBlob");
        return data->back();
    }

    const std::string& front() const {
        check(0, "front on empty StrBlob");
        return data->front();
    }
    const std::string& back() const {
        check(0, "back on empty StrBlob");
        return data->back();
    }

private:
    void check(size_type i, const string &msg) const {
        if (i >= data->size()) throw std::out_of_range(msg);
    }

private:
    std::shared_ptr<vector<string>> data;
};

主函数：

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#include "ex12_02.h"
#include <iostream>

int main()
{
    const StrBlob csb{ "hello", "world", "pezy" };
    StrBlob sb{ "hello", "world", "Mooophy" };

    std::cout << csb.front() << " " << csb.back() << std::endl;
    sb.back() = "pezy";
    std::cout << sb.front() << " " << sb.back() << std::endl;
}

练习12.3

StrBlob 需要const 版本的push_back 和 pop_back吗？如需要，添加进去。否则，解释为什么不需要。

解：

不需要。push_back 和 pop_back 会改变对象的内容。而 const 对象是只读的，因此不需要。

练习12.4

在我们的 check 函数中，没有检查 i 是否大于0。为什么可以忽略这个检查？

解：

因为 size_type 是一个无符号整型，当传递给 check 的参数小于 0 的时候，参数值会转换成一个正整数。

练习12.5

我们未编写接受一个 initializer_list explicit 参数的构造函数。讨论这个设计策略的优点和缺点。

解：

构造函数不是 explicit 的，意味着可以从 initializer_list 隐式转换为 StrBlob。在 StrBlob 对象中，只有一个数据成员 data，而 StrBlob 对象本身的含义，也是一个管理字符串的序列。因此，从 initializer_list 到 StrBlob 的转换，在逻辑上是可行的。而这个设计策略的缺点，可能在某些地方我们确实需要 initializer_list，而编译器仍会将之转换为 StrBlob。

练习12.6

编写函数，返回一个动态分配的 int 的vector。将此vector 传递给另一个函数，这个函数读取标准输入，将读入的值保存在 vector 元素中。再将vector传递给另一个函数，打印读入的值。记得在恰当的时刻delete vector。

解：

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#include <iostream>
#include <vector>

using std::vector;

vector<int>* alloc_vector()
{
	return new vector<int>();
}

void assign_vector(vector<int>* p)
{
	int i;
	while (std::cin >> i)
	{
		p->push_back(i);
	}
}

void print_vector(vector<int>* p)
{
	for (auto i : *p)
	{
		std::cout << i << std::endl;
	}
}

int main()
{
	auto p = alloc_vector();
	assign_vector(p);
	print_vector(p);
	delete p;
	return 0;
}

练习12.7

重做上一题，这次使用 shared_ptr 而不是内置指针。

解：

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#include <iostream>
#include <vector>
#include <memory>

using std::vector;

std::shared_ptr<vector<int>> alloc_vector()
{
	return std::make_shared<vector<int>>();
}

void assign_vector(std::shared_ptr<vector<int>> p)
{
	int i;
	while (std::cin >> i)
	{
		p->push_back(i);
	}
}

void print_vector(std::shared_ptr<vector<int>> p)
{
	for (auto i : *p)
	{
		std::cout << i << std::endl;
	}
}

int main()
{
	auto p = alloc_vector();
	assign_vector(p);
	print_vector(p);
	return 0;
}

练习12.8

下面的函数是否有错误？如果有，解释错误原因。

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bool b() {
	int* p = new int;
	// ...
	return p;
}

解：

有错误。p会被强制转换成bool，继而没有释放指针 p 指向的对象。

练习12.9

解释下面代码执行的结果。

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int *q = new int(42), *r = new int(100);
r = q;
auto q2 = make_shared<int>(42), r2 = make_shared<int>(100);
r2 = q2;

解：

r 和 q 指向 42，而之前 r 指向的 100 的内存空间并没有被释放，因此会发生内存泄漏。r2 和 q2 都是智能指针，当对象空间不被引用的时候会自动释放。

练习12.10

下面的代码调用了第413页中定义的process 函数，解释此调用是否正确。如果不正确，应如何修改？

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shared_ptr<int> p(new int(42));
process(shared_ptr<int>(p));

解：

正确。shared_ptr<int>(p) 会创建一个临时的智能指针，这个智能指针与 p 引用同一个对象，此时引用计数为 2。当表达式结束时，临时的智能指针被销毁，此时引用计数为 1。

练习12.11

如果我们像下面这样调用 process，会发生什么？

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process(shared_ptr<int>(p.get()));

解：

这样会创建一个新的智能指针，它的引用计数为 1，这个智能指针所指向的空间与 p 相同。在表达式结束后，这个临时智能指针会被销毁，引用计数为 0，所指向的内存空间也会被释放。而导致 p 所指向的空间被释放，使得 p` 成为一个空悬指针。

练习12.12

p 和 sp 的定义如下，对于接下来的对 process 的每个调用，如果合法，解释它做了什么，如果不合法，解释错误原因：

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auto p = new int();
auto sp = make_shared<int>();
(a) process(sp);
(b) process(new int());
(c) process(p);
(d) process(shared_ptr<int>(p));

解：

  • (a) 合法。将sp 拷贝给 process函数的形参，在函数里面引用计数为 2，函数结束后引用计数为 1。
  • (b) 不合法。不能从内置指针隐式转换为智能指针。
  • © 不合法。不能从内置指针隐式转换为智能指针。
  • (d) 合法。但是智能指针和内置指针一起使用可能会出现问题，在表达式结束后智能指针会被销毁，它所指向的对象也被释放。而此时内置指针 p 依旧指向该内存空间。之后对内置指针 p 的操作可能会引发错误。

练习12.13

如果执行下面的代码，会发生什么？

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auto sp = make_shared<int>();
auto p = sp.get();
delete p;

解：

智能指针 sp 所指向空间已经被释放，再对 sp 进行操作会出现错误。

练习12.14

编写你自己版本的用 shared_ptr 管理 connection 的函数。

解：

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#include <iostream>
#include <memory>
#include <string>

struct connection
{
	std::string ip;
	int port;
	connection(std::string i, int p) : ip(i), port(p) {}
};

struct destination
{
	std::string ip;
	int port;
	destination(std::string i, int p) : ip(i), port(p) {}
};

connection connect(destination* pDest)
{
	std::shared_ptr<connection> pConn(new connection(pDest->ip, pDest->port));
	std::cout << "creating connection(" << pConn.use_count() << ")" << std::endl;
	return *pConn;
}

void disconnect(connection pConn)
{
	std::cout << "connection close(" << pConn.ip << ":" << pConn.port << ")" << std::endl;	
}

void end_connection(connection* pConn)
{
	disconnect(*pConn);
}

void f(destination &d)
{
	connection conn = connect(&d);
	std::shared_ptr<connection> p(&conn, end_connection);
	std::cout << "connecting now(" << p.use_count() << ")" << std::endl;
}

int main()
{
	destination dest("220.181.111.111", 10086);
	f(dest);

	return 0;
}

练习12.15

重写上一题的程序，用 lambda 代替end_connection 函数。

解：

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#include <iostream>
#include <memory>
#include <string>

struct connection
{
	std::string ip;
	int port;
	connection(std::string i, int p) : ip(i), port(p) {}
};

struct destination
{
	std::string ip;
	int port;
	destination(std::string i, int p) : ip(i), port(p) {}
};

connection connect(destination* pDest)
{
	std::shared_ptr<connection> pConn(new connection(pDest->ip, pDest->port));
	std::cout << "creating connection(" << pConn.use_count() << ")" << std::endl;
	return *pConn;
}

void disconnect(connection pConn)
{
	std::cout << "connection close(" << pConn.ip << ":" << pConn.port << ")" << std::endl;
}

void f(destination &d)
{
	connection conn = connect(&d);
	std::shared_ptr<connection> p(&conn, [] (connection* p){ disconnect(*p); });
	std::cout << "connecting now(" << p.use_count() << ")" << std::endl;
}

int main()
{
	destination dest("220.181.111.111", 10086);
	f(dest);

	return 0;
}

练习12.16

如果你试图拷贝或赋值 unique_ptr，编译器并不总是能给出易于理解的错误信息。编写包含这种错误的程序，观察编译器如何诊断这种错误。

解：

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#include <iostream>
#include <string>
#include <memory>

using std::string; using std::unique_ptr;

int main()
{
    unique_ptr<string> p1(new string("pezy"));
    // unique_ptr<string> p2(p1); // copy
    //                      ^
    // Error: Call to implicitly-deleted copy constructor of 'unique_ptr<string>'
    //
    // unique_ptr<string> p3 = p1; // assign
    //                      ^
    // Error: Call to implicitly-deleted copy constructor of 'unique_ptr<string>'
    std::cout << *p1 << std::endl;
    p1.reset(nullptr);
}

练习12.17

下面的 unique_ptr 声明中，哪些是合法的，哪些可能导致后续的程序错误？解释每个错误的问题在哪里。

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int ix = 1024, *pi = &ix, *pi2 = new int(2048);
typedef unique_ptr<int> IntP;
(a) IntP p0(ix);
(b) IntP p1(pi);
(c) IntP p2(pi2);
(d) IntP p3(&ix);
(e) IntP p4(new int(2048));
(f) IntP p5(p2.get());

解：

  • (a) 不合法。在定义一个 unique_ptr 时，需要将其绑定到一个new 返回的指针上。
  • (b) 不合法。理由同上。
  • © 合法。但是也可能会使得 pi2 成为空悬指针。
  • (d) 不合法。当 p3 被销毁时，它试图释放一个栈空间的对象。
  • (e) 合法。
  • (f) 不合法。p5 和 p2 指向同一个对象，当 p5 和 p2 被销毁时，会使得同一个指针被释放两次。

练习12.18

shared_ptr 为什么没有 release 成员？

release 成员的作用是放弃控制权并返回指针，因为在某一时刻只能有一个 unique_ptr 指向某个对象，unique_ptr 不能被赋值，所以要使用 release 成员将一个 unique_ptr 的指针的所有权传递给另一个 unique_ptr。而 shared_ptr 允许有多个 shared_ptr 指向同一个对象，因此不需要 release 成员。

练习12.19

定义你自己版本的 StrBlobPtr，更新 StrBlob 类，加入恰当的 friend 声明以及 begin 和 end 成员。

解：

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#include <string>
#include <vector>
#include <initializer_list>
#include <memory>
#include <stdexcept>

using std::vector; using std::string;

class StrBlobPtr;

class StrBlob
{
public:
	using size_type = vector<string>::size_type;
	friend class StrBlobPtr;

	StrBlobPtr begin();
	StrBlobPtr end();

	StrBlob() : data(std::make_shared<vector<string>>()) {}
	StrBlob(std::initializer_list<string> il) : data(std::make_shared<vector<string>>(il)) {}

	size_type size() const { return data->size(); }
	bool empty() const { return data->empty(); }

	void push_back(const string& s) { data->push_back(s); }
	void pop_back()
	{
		check(0, "pop_back on empty StrBlob");
		data->pop_back();
	}

	std::string& front()
	{
		check(0, "front on empty StrBlob");
		return data->front();
	}

	std::string& back()
	{
		check(0, "back on empty StrBlob");
		return data->back();
	}

	const std::string& front() const
	{
		check(0, "front on empty StrBlob");
		return data->front();
	}
	const std::string& back() const
	{
		check(0, "back on empty StrBlob");
		return data->back();
	}

private:
	void check(size_type i, const string& msg) const
	{
		if (i >= data->size())
			throw std::out_of_range(msg);
	}

private:
	std::shared_ptr<vector<string>> data;
};

class StrBlobPtr
{
public:
	StrBlobPtr() :curr(0) {}
	StrBlobPtr(StrBlob &a, size_t sz = 0) :wptr(a.data), curr(sz) {}
	bool operator!=(const StrBlobPtr& p) { return p.curr != curr; }
	string& deref() const
	{
		auto p = check(curr, "dereference past end");
		return (*p)[curr];
	}
	StrBlobPtr& incr()
	{
		check(curr, "increment past end of StrBlobPtr");
		++curr;
		return *this;
	}

private:
	std::shared_ptr<vector<string>> check(size_t i, const string &msg) const
	{
		auto ret = wptr.lock();
		if (!ret) throw std::runtime_error("unbound StrBlobPtr");
		if (i >= ret->size()) throw std::out_of_range(msg);
		return ret;
	}
	std::weak_ptr<vector<string>> wptr;
	size_t curr;
};

StrBlobPtr StrBlob::begin()
{
	return StrBlobPtr(*this);
}
StrBlobPtr StrBlob::end()
{
	return StrBlobPtr(*this, data->size());
}

练习12.20

编写程序，逐行读入一个输入文件，将内容存入一个 StrBlob 中，用一个 StrBlobPtr 打印出 StrBlob 中的每个元素。

解：

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#include <iostream>
#include <fstream>
#include "exercise12_19.h"

using namespace std;

int main()
{
	ifstream ifs("books.txt");
	StrBlob sb;
	string s;
	while (getline(ifs, s))
	{
		sb.push_back(s);
	}
	for (StrBlobPtr sbp = sb.begin(); sbp != sb.end(); sbp.incr())
	{
		cout << sbp.deref() << endl;
	}

	return 0;
}

练习12.21

也可以这样编写 StrBlobPtr 的 deref 成员：

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std::string& deref() const {
	return (*check(curr, "dereference past end"))[curr];
}

你认为哪个版本更好？为什么？

解：

原来的版本更好，可读性更高。

练习12.22

为了能让 StrBlobPtr 使用 const StrBlob，你觉得应该如何修改？定义一个名为ConstStrBlobPtr 的类，使其能够指向 const StrBlob。

解：

构造函数改为接受 const Strblob & , 然后给 Strblob 类添加两个 const 成员函数 cbegin 和 cend，返回 ConstStrBlobPtr。

练习12.23

编写一个程序，连接两个字符串字面常量，将结果保存在一个动态分配的char数组中。重写这个程序，连接两个标准库string对象。

解:

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#include <iostream>
#include <string>
#include <cstring>
#include <memory>

int main() {
	const char *c1 = "Hello ";
	const char *c2 = "World";
	unsigned len = strlen(c1) + strlen(c2) + 1;
	char *r = new char[len]();
	strcat_s(r, len, c1);
	strcat_s(r, len, c2);
	std::cout << r << std::endl;

	std::string s1 = "Hello ";
	std::string s2 = "World";
	strcpy_s(r, len, (s1 + s2).c_str());
	std::cout << r << std::endl;

	delete[] r;

	return 0;
}

练习12.24

编写一个程序，从标准输入读取一个字符串，存入一个动态分配的字符数组中。描述你的程序如何处理变长输入。测试你的程序，输入一个超出你分配的数组长度的字符串。

解：

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#include <iostream>

int main()
{
	std::cout << "How long do you want the string? ";
	int size{ 0 };
	std::cin >> size;
	char *input = new char[size + 1]();
	std::cin.ignore();
	std::cout << "input the string: ";
	std::cin.get(input, size + 1);
	std::cout << input;
	delete[] input;

	return 0;
}

练习12.25

给定下面的new表达式，你应该如何释放pa？

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int *pa = new int[10];

解：

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delete [] pa;

练习12.26

用 allocator 重写第427页中的程序。

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#include <iostream>
#include <string>
#include <memory>

using namespace std;

int main()
{
	int n = 5;
	allocator<string> alloc;
	auto p = alloc.allocate(n);
	string s;
	auto q = p;
	while (cin >> s && q != p + n)
	{
		alloc.construct(q++, s);
	}
	while (q != p)
	{
		std::cout << *--q << " ";
		alloc.destroy(q);
	}
	alloc.deallocate(p, n);

	return 0;
}

练习12.27

TextQuery 和 QueryResult 类只使用了我们已经介绍过的语言和标准库特性。不要提前看后续章节内容，只用已经学到的知识对这两个类编写你自己的版本。

解：

头文件：

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#ifndef EX12_27_H
#define EX12_27_H

#include <fstream>
#include <memory>
#include <vector>
#include <string>
#include <map>
#include <set>

class QueryResult;

class TextQuery
{
public:
	using line_no = std::vector<std::string>::size_type;
	TextQuery(std::ifstream&);
	QueryResult query(const std::string& s) const;

private:
	std::shared_ptr<std::vector<std::string>> file;
	std::map<std::string, std::shared_ptr<std::set<line_no>>> wm;
};

class QueryResult
{
public:
	friend std::ostream& print(std::ostream&, const QueryResult&);
	QueryResult(std::string s,
				std::shared_ptr<std::set<TextQuery::line_no>> p,
				std::shared_ptr<std::vector<std::string>> f) :
		sought(s), lines(p), file(f) 
	{}

private:
	std::string sought;
	std::shared_ptr<std::set<TextQuery::line_no>> lines;
	std::shared_ptr<std::vector<std::string>> file;
};

std::ostream& print(std::ostream&, const QueryResult&);

#endif

实现：

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#include "ex_12_27.h"
#include <sstream>
#include <fstream>
#include <vector>
#include <string>

using namespace std;

TextQuery::TextQuery(ifstream& ifs) : file(new vector<string>)
{
	string text;
	while (getline(ifs, text))
	{
		file->push_back(text);
		int n = file->size() - 1;
		istringstream line(text);
		string word;
		while (line >> word)
		{
			auto &lines = wm[word];
			if (!lines)
				lines.reset(new set<line_no>);
			lines->insert(n);
		}
	}
}

QueryResult TextQuery::query(const string& s) const
{
	static shared_ptr<set<line_no>> nodata(new set<line_no>);
	auto loc = wm.find(s);
	if (loc == wm.end())
		return QueryResult(s, nodata, file);
	else
		return QueryResult(s, loc->second, file);
}

std::ostream& print(std::ostream& os, const QueryResult& qr)
{
	os << qr.sought << " occurs " << qr.lines->size() << " "
		<< "time" << (qr.lines->size() > 1 ? "s" : "") << endl;
	for (auto num : *qr.lines)
		os << "\t(line " << num + 1 << ") " << *(qr.file->begin() + num) << endl;
	return os;
}

主函数：

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#include <iostream>
#include <string>
#include <fstream>
#include "ex_12_27.h"

using namespace std;

void runQueries(ifstream& infile)
{
	TextQuery tq(infile);
	while (true)
	{
		cout << "enter word to look for, or q to quit: ";
		string s;
		if (!(cin >> s) || s == "q") break;
		print(cout, tq.query(s)) << endl;
	}
}

int main()
{
	ifstream ifs("storyDataFile.txt");
	runQueries(ifs);
	return 0;
}

练习12.28

编写程序实现文本查询，不要定义类来管理数据。你的程序应该接受一个文件，并与用户交互来查询单词。使用vector、map 和 set 容器来保存来自文件的数据并生成查询结果。

解：

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#include <string>
using std::string;

#include <vector>
using std::vector;

#include <memory>
using std::shared_ptr;

#include <iostream>
#include <fstream>
#include <sstream>
#include <map>
#include <set>
#include <algorithm>

int main()
{
	std::ifstream file("H:/code/C++/Cpp_Primer_Answers/data/storyDataFile.txt");
	vector<string> input;
	std::map<string, std::set<decltype(input.size())>> dictionary;
	decltype(input.size()) lineNo{ 0 };

	for (string line; std::getline(file, line); ++lineNo)
	{
		input.push_back(line);
		std::istringstream line_stream(line);
		for (string text, word; line_stream >> text; word.clear())
		{
			std::remove_copy_if(text.begin(), text.end(), std::back_inserter(word), ispunct);
			dictionary[word].insert(lineNo);
		}
	}

	while (true)
	{
		std::cout << "enter word to look for, or q to quit: ";
		string s;
		if (!(std::cin >> s) || s == "q") break;
		auto found = dictionary.find(s);
		if (found != dictionary.end())
		{
			std::cout << s << " occurs " << found->second.size() << (found->second.size() > 1 ? " times" : " time") << std::endl;
			for (auto i : found->second)
				std::cout << "\t(line " << i + 1 << ") " << input.at(i) << std::endl;
		}
		else std::cout << s << " occurs 0 time" << std::endl;
	}
}

练习12.29

我们曾经用do while 循环来编写管理用户交互的循环。用do while 重写本节程序，解释你倾向于哪个版本，为什么？

解：

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do {
    std::cout << "enter word to look for, or q to quit: ";
    string s;
    if (!(std::cin >> s) || s == "q") break;
    print(std::cout, tq.query(s)) << std::endl;
} while ( true );

我更喜欢 while，这可能是习惯的问题。

练习12.30

定义你自己版本的 TextQuery 和 QueryResult 类，并执行12.3.1节中的runQueries 函数。

解：

同12.27。

练习12.31

如果用vector 代替 set 保存行号，会有什么差别？哪个方法更好？为什么？

如果用 vector 则会有单词重复的情况出现。而这里保存的是行号，不需要重复元素，所以 set 更好。

练习12.32

重写 TextQuery 和 QueryResult类，用StrBlob 代替 vector<string> 保存输入文件。

解：

TextQuery 和 QueryResult 类中的 file 成员，改为 指向 StrBlob 的智能指针。在访问 StrBlob 时，要使用 StrBlobPtr。

练习12.33

在第15章中我们将扩展查询系统，在 QueryResult 类中将会需要一些额外的成员。添加名为 begin 和 end 的成员，返回一个迭代器，指向一个给定查询返回的行号的 set 中的位置。再添加一个名为 get_file 的成员，返回一个 shared_ptr，指向 QueryResult 对象中的文件。

解：

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class QueryResult{
public:
	using Iter = std::set<line_no>::iterator;	
	// ...
	Iter begin() const { return lines->begin(); }
	Iter end() const { return lines->end(); }
	shared_ptr<std::vector<std::string>> get_file() const 
	{ 
		return std::make_shared<std::vector<std::string>>(file); 
	}
private:
	// ...
};