题目描述 Description 本题中，需要实现一个包含空间回收的文件读写类 Where the north wind meets the sea There's a river full of memory Sleep, my darling, safe and sound For in this river all is found —— All is Found 文件存储操作是编程的重要部分，其分为 ASCII 文件存储和二进制文件存储。文件其实是一块白纸，交由你创作出块状、链状、树状的画作，以及本题中需要实现的 MemoryRiver 类。 MemoryRiver 类是为了方便对文件的操作而封装了一些操作。该类的功能有 与一个文件名（string）绑定 往文件中写入一个 int 或 T类型对象 往文件中读取一个 int 或 T类型对象（T 的大小大于 int） 删除并回收一块空间。 请实现一个类模板 MemoryRiver.hpp，来实现文件的读写。 该类模板的声明为 template<class T, int info_len = 2> class MemoryRiver; 其中，T 是需要存储的原子对象的类，info_len 是存储文件头部预留出来的 int 的个数（1_base）。 MemoryRiver 的存储策略为在文件首预留出 info_len 个 int 作为存储一些参数的空间，这些 int 在 initialise() 函数种被初始化为 0。 请完成 MemoryRiver.hpp 内的代码： MemoryRiver.hpp #ifndef BPT_MEMORYRIVER_HPP #define BPT_MEMORYRIVER_HPP #include <fstream> using std::string; using std::fstream; using std::ifstream; using std::ofstream; template<class T, int info_len = 2> class MemoryRiver { private: /* your code here */ fstream file; string file_name; int sizeofT = sizeof(T); public: MemoryRiver() = default; MemoryRiver(const string& file_name) : file_name(file_name) {} void initialise(string FN = "") { if (FN != "") file_name = FN; file.open(file_name, std::ios::out); int tmp = 0; for (int i = 0; i < info_len; ++i) file.write(reinterpret_cast<char *>(&tmp), sizeof(int)); file.close(); } //读出第n个int的值赋给tmp，1_base void get_info(int &tmp, int n) { if (n > info_len) return; /* your code here */ } //将tmp写入第n个int的位置，1_base void write_info(int tmp, int n) { if (n > info_len) return; /* your code here */ } //在文件合适位置写入类对象t，并返回写入的位置索引index //位置索引意味着当输入正确的位置索引index，在以下三个函数中都能顺利的找到目标对象进行操作 //位置索引index可以取为对象写入的起始位置 int write(T &t) { /* your code here */ } //用t的值更新位置索引index对应的对象，保证调用的index都是由write函数产生 void update(T &t, const int index) { /* your code here */ } //读出位置索引index对应的T对象的值并赋值给t，保证调用的index都是由write函数产生 void read(T &t, const int index) { /* your code here */ } //删除位置索引index对应的对象(不涉及空间回收时，可忽略此函数)，保证调用的index都是由write函数产生 void Delete(int index) { /* your code here */ } }; #endif //BPT_MEMORYRIVER_HPP tips: 二进制文件的读写 (可参考 https://en.cppreference.com/w/cpp/io/basic_fstream 等资料) //T类型的对象t的二进制文件读写 file.write(reinterpret_cast<char *>(&t), sizeof(T)); file.read(reinterpret_cast<char *>(&t), sizeof(T)); //将指针移动到[文件头指针+offset]处 file.seekp(offset); 可以使用文件（多）链表的思想来实现空间回收。 也可以用类似内存池的思想，多开一个文件进行管理。 可以隐式的增加文件头部的 info_len 的长度供自己使用，但是需要在 get_info 和 write_info 时作一个转换的映射避免冲突 本题未对原子化操作做出要求，但在大作业中推荐在每个函数调用前打开文件，调用后关闭文件。 评测的文件数量限制为 20，但最好不要超过 2 个文件 2≤infolen2≤infolen 解决这道题目

<think>嗯，我现在需要帮用户实现这个MemoryRiver类模板。首先，我得仔细看题目要求。题目要求这个类能够与文件名绑定，进行int和T类型对象的读写，还要支持删除和空间回收。类模板的参数是T和info_len，默认是2。那我要怎么开始呢？ 首先，看一下已有的代码结构。类里面有私有成员file（fstream），file_name（string），sizeofT是T的大小。构造函数已经有了，initialise函数用来初始化文件，预留info_len个int的空间，初始化为0。这个部分看起来已经实现了。 接下来是几个需要实现的成员函数：get_info、write_info、write、update、read、Delete。这些函数都需要补全。 首先，考虑get_info和write_info。这两个函数是用来读写文件头部预留的info_len个int的位置。比如，get_info读取第n个int的值，n是1-based的。那对于文件来说，每个int占4字节，所以第n个的位置应该是从文件开头偏移(n-1)*4的位置。例如，第一个int在0的位置，第二个在4的位置，依此类推。所以在get_info里，应该打开文件，定位到对应的位置，读取一个int。同样，write_info则是写入到对应的位置。需要注意的是，每次操作可能需要打开和关闭文件，或者保持文件打开状态？题目提示里说，在大作业中推荐每个函数调用前打开文件，调用后关闭，这样可以避免长时间占用文件，但这里可能需要多次打开关闭，或者用某种方式管理文件流的状态。 那在get_info函数中，正确的做法应该是：打开文件，定位到正确的偏移量，读取数据，然后关闭文件。或者，使用seekg和seekp来移动读写指针。比如，用file.open(file_name, ios::in | ios::out | ios::binary)，然后seek到对应的位置，进行读写。但是原来的initialise函数是用fstream的out模式打开的，可能没有处理二进制模式。这可能有问题。因为如果文件以文本模式打开，可能会有格式转换，比如换行符处理，而二进制模式不会有这个问题。所以可能在所有文件操作中，应该以二进制模式打开文件，否则在Windows下可能会有问题。比如，initialise函数中的file.open应该使用二进制模式，比如std::ios::out | std::ios::binary？这可能是一个需要注意的点。比如，原initialise函数中打开文件的方式是std::ios::out，这可能导致文件以文本模式打开。这可能有问题，特别是当写入二进制数据的时候。所以可能需要修改initialise函数中的打开模式，或者在后续操作中确保以二进制模式打开。 这个问题可能需要处理。因为题目中的tips里提到使用二进制文件的读写。所以正确的做法应该是所有的文件操作都使用二进制模式。所以initialise函数中的file.open应该加上二进制模式，比如：file.open(file_name, std::ios::out | std::ios::binary)。否则，当在Windows系统下，写入的int可能会有问题。所以原来的initialise函数可能存在bug。但用户提供的代码中的initialise函数可能有问题，但根据题目要求，需要补全代码，可能用户提供的代码无法修改？或者题目中的initialise函数是给定的，需要按照原样处理？ 看用户提供的代码中的initialise函数： void initialise(string FN = "") { if (FN != "") file_name = FN; file.open(file_name, std::ios::out); // 这里没有binary模式？ int tmp = 0; for (int i = 0; i < info_len; ++i) file.write(reinterpret_cast<char *>(&tmp), sizeof(int)); file.close(); } 这可能导致文件以文本模式写入，而之后的其他函数以二进制模式读写可能会有问题。但可能题目中的代码可能存在这个问题，但用户可能需要按照现有的代码结构继续完成。或者这可能是一个需要修正的点。比如，在后续的读写操作中，必须使用二进制模式，否则可能无法正确读取数据。所以可能在其他函数中，比如get_info和write_info，应该以二进制模式打开文件。 例如，在get_info函数中，正确的做法是： 打开文件，使用二进制模式，并且能够读写，比如： file.open(file_name, std::ios::in | std::ios::out | std::ios::binary); 如果文件不存在，可能需要处理这种情况。但是initialise函数已经创建了文件，所以可能可以假设文件存在？ 那在get_info函数中，可能应该： 1. 打开文件，模式为输入输出，二进制。 2. 定位到相应的位置。比如，第n个int的位置是(n-1)*sizeof(int)的偏移量。 3. 读取该位置的一个int值。 4. 关闭文件？ 或者，是否需要保持文件打开状态？比如，原来的类中有一个fstream file成员变量。但initialise函数在初始化时打开文件，写入后关闭。那其他函数是否应该通过file成员变量来操作文件？例如，在get_info函数中，可能需要重新打开文件？ 或者，是否每次操作文件时都打开和关闭？比如，在每次需要操作时，打开文件，进行操作，然后关闭。这样可以避免文件流状态的问题，比如错误标志未清除等。例如，在get_info函数中： void get_info(int &tmp, int n) { if (n > info_len) return; file.open(file_name, std::ios::in | std::ios::binary); file.seekg((n-1)*sizeof(int), std::ios::beg); file.read(reinterpret_cast<char*>(&tmp), sizeof(int)); file.close(); } 但这样每次操作都打开和关闭文件可能效率不高，但对于正确性来说可能更可靠。尤其是当不同的函数可能在不同的时间调用时，这样可以确保每次操作都是正确的。 但原来的类中的file成员变量是fstream类型，可能应该在各个函数中使用这个成员变量。例如，在initialise函数中，file被打开，写入，然后关闭。所以其他函数可能需要自己打开文件，进行操作，再关闭。或者，每次操作时都重新打开文件？ 或者，是否应该在每次操作前打开文件，操作后关闭？例如，在write_info函数中： void write_info(int tmp, int n) { if (n > info_len) return; file.open(file_name, std::ios::in | std::ios::out | std::ios::binary); file.seekp((n-1)*sizeof(int), std::ios::beg); file.write(reinterpret_cast<const char*>(&tmp), sizeof(int)); file.close(); } 这样每次操作都打开和关闭文件，这可能更安全，因为如果文件长时间打开，可能其他进程无法访问，或者程序异常退出时导致问题。但这样会增加IO操作的开销。不过根据题目中的提示，可能建议每个函数调用前打开文件，调用后关闭，所以这可能更符合题目的意图。 因此，在get_info和write_info函数中，应该以正确的模式打开文件，定位到正确的位置，进行读写，然后关闭。例如： 对于get_info： 打开文件为输入模式（std::ios::in | std::ios::binary），然后seekg到相应的位置，读取int，然后关闭。 对于write_info： 打开文件为输入输出模式（std::ios::in | std::ios::out | std::ios::binary），因为需要修改文件的内容。或者，如果是覆盖已有的int的位置，可能需要用in | out | binary模式，并定位到正确的位置，写入数据。 比如，在write_info中，正确的操作是： file.open(file_name, std::ios::in | std::ios::out | std::ios::binary); if (!file.is_open()) { // 错误处理？ } file.seekp((n-1)*sizeof(int)); file.write(reinterpret_cast<const char*>(&tmp), sizeof(int)); file.close(); 这样应该正确写入到第n个int的位置。 那现在get_info和write_info的实现可能如下： get_info: void get_info(int &tmp, int n) { if (n > info_len) return; file.open(file_name, std::ios::in | std::ios::binary); file.seekg((n-1)*sizeof(int)); file.read(reinterpret_cast<char*>(&tmp), sizeof(int)); file.close(); } write_info: void write_info(int tmp, int n) { if (n > info_len) return; file.open(file_name, std::ios::in | std::ios::out | std::ios::binary); file.seekp((n-1)*sizeof(int)); file.write(reinterpret_cast<const char*>(&tmp), sizeof(int)); file.close(); } 但这里需要注意，如果文件打开失败的情况，比如文件不存在，可能需要处理。但根据题目的要求，initialise函数会被调用，创建文件，所以在调用get_info和write_info之前，initialise已经被调用，所以文件存在。或者是否需要处理这种情况？题目可能不要求处理错误情况，所以可以假设这些函数在正确的情况下被调用。 接下来是write函数。write函数需要将一个T类型的对象写入到文件的合适位置，并返回位置索引index，这个索引可以是写入的起始位置。例如，每个对象的写入位置由文件的大小决定，或者在删除后可以回收空间，所以需要维护一个空闲列表。 这里需要实现空间回收。当调用Delete函数删除一个对象时，该位置的空间应该被回收，下次写入时可以重复使用。这类似于内存池中的空闲链表管理。所以，如何管理空闲的位置？ 可能的策略是，使用一个链表来记录哪些块是空闲的。例如，每个空闲块可以记录下一个空闲块的位置，这样形成一个链表。而链表的头节点的位置可以存储在文件头部预留的某个info中。例如，题目允许隐式地增加info_len的长度，但需要在get_info和write_info时进行映射转换。或者，题目中的info_len是用户指定的，可能无法修改，但用户可以用其中的某个位置来存储空闲链表的头指针。 比如，假设info_len为2，用户可能使用前两个int存储自己的信息，那么MemoryRiver类可能需要使用额外的info位置来管理空闲链表。但题目中说“可以隐式的增加文件头部的 info_len 的长度供自己使用，但是需要在 get_info 和 write_info 时作一个转换的映射避免冲突”。所以，可能需要将用户可见的info_len与实际存储的位置分开。例如，用户调用get_info(n)时，n的范围是1到info_len，而类内部可以使用超过info_len的位置来存储自己的管理信息。比如，假设内部将前info_len个int用于用户，之后的可能用于管理空闲链表等信息。例如，假设内部使用第info_len+1的位置存储空闲链表的头节点。 所以，当用户调用get_info(n)时，n是1-based到info_len的，而类内部可能将n映射到对应的位置，而类自己使用的信息存储在更高的位置。例如，当用户传入info_len=2时，类内部可能使用第三个int的位置来存储空闲链表的头节点。这样，当用户调用get_info或者write_info时，不会影响到类内部的信息，因为n的范围被限制在1到info_len。 因此，在类的实现中，可能需要维护一个空闲链表，其头节点的位置存储在用户提供的info_len之后的某个位置。例如，内部使用第info_len +1的位置，或者其他的位置。或者，将其中一个用户提供的info位置用作管理，但这可能会与用户的使用冲突。所以题目中的提示建议隐式地增加info_len，但需要映射转换，避免冲突。因此，可能应该在文件头部预留更多的int，但get_info和write_info函数中的参数n会被映射到用户提供的info_len范围内的位置，而类内部使用的管理信息存储在更高的位置。 例如，假设用户指定的info_len是2，那么文件头部的前两个int是用户可用的。而类内部可能使用第三个int作为空闲链表的头节点。但get_info和write_info的参数n只能是1到info_len（即2），所以当类内部需要访问第三个int时，必须通过其他方式，例如直接计算偏移量，而不是通过这两个函数。因此，在类中，管理空闲链表的信息可能需要直接操作文件中的特定位置，而不是通过write_info和get_info函数。 这可能比较复杂。另一种方式是，在类内部使用用户提供的info_len中的某一个位置来管理空闲链表。例如，假设用户允许info_len>=某个值，或者类内部可以覆盖用户的一个info位置。但这样可能会导致用户的数据被覆盖，所以可能不可行。所以必须将管理信息存储在用户不可见的位置，即info_len之后的位置。这样，当类内部需要管理空间回收时，可以自行使用文件头部之后的int来存储相关信息，而用户无法通过get_info和write_info访问到这些位置，因为n的范围被限制在1到info_len。 综上，空间回收的管理需要用到额外的信息，存储在用户不可见的文件头部的位置。例如，用第info_len+1的位置来存储空闲链表的头节点。那在类中，需要直接操作这些位置。 那如何实现空闲链表？ 例如，每个被删除的块可以被记录为一个节点，其中保存下一个空闲块的索引。这样，空闲链表中的每个节点需要存储下一个节点的位置。但是，每个空闲块本身可能是一个对象的位置，其大小是sizeof(T)。例如，当删除一个位于位置index的对象时，可以将该块加入空闲链表，然后将这个块的前几个字节作为存储下一个空闲块的指针（即int类型）。这样，每个空闲块可以保存下一个空闲块的index。此时，空闲链表的头节点保存在文件头部的某个位置（比如，用户info之后的第一个int）。 举个例子： 当初始化时，空闲链表头节点为0（表示没有空闲块）。每次写入新对象时，先检查空闲链表是否有可用块。如果有，就取出头节点，写入到该位置，并更新头节点为下一个空闲块的位置。如果没有，就将新对象追加到文件末尾。 删除对象时，将该对象的index加入空闲链表。具体来说，将该块的第一个int位置（即index处）存储当前的头节点，然后将头节点更新为该index。 因此，每个空闲块的前sizeof(int)字节用于存储下一个空闲块的index。而对象写入时，可能覆盖这部分空间。这可能要求T类型的对象的大小至少为sizeof(int)，但题目中提到T的大小大于int，所以满足条件。例如，当写入一个T对象时，其占用的空间至少是sizeof(int)+1（但具体可能根据对齐而定，但题目中的条件足够）。 因此，具体的实现步骤如下： 1. 在文件头部预留info_len个int之后的位置，存储空闲链表的头节点。例如，头节点的位置是info_len * sizeof(int)的位置。例如，头节点存储在文件头部的第(info_len+1)个int的位置？或者可能直接作为额外的位置，比如在文件头部的info_len个int之后，存储一个int作为头节点。这可能更合适。例如，头节点的偏移量是 info_len * sizeof(int)。例如，假设info_len是2，头节点的位置是2*4=8字节处。这个位置存储一个int，表示当前空闲链表的第一个空闲块的index。 这样，当需要分配新的块时，首先检查头节点是否为0。如果非0，取出头节点对应的块，将其中的前sizeof(int)字节读取为下一个空闲块的index，然后将该块作为分配的块。同时，将头节点更新为下一个空闲块的index。如果没有空闲块，则将新块追加到文件末尾。 当删除一个块时，将该块的前sizeof(int)字节写入当前头节点的值，然后将头节点更新为该块的index。 这样，每个空闲块的前4个字节存储下一个空闲块的index，形成一个链表。而头节点存储在文件头部的特定位置（info_len个int之后的一个int）。 那么，在MemoryRiver类中，需要实现这个机制。那么，如何访问这个头节点？ 例如，头节点的存储位置是文件开头偏移量 off = info_len * sizeof(int)。每次需要读取或写入头节点时，直接操作这个位置。 那在类内部，需要有一个辅助函数来读取和写入头节点。例如： int get_head() { int head; file.open(file_name, std::ios::in | std::ios::binary); file.seekg(info_len * sizeof(int)); file.read(reinterpret_cast<char*>(&head), sizeof(int)); file.close(); return head; } void set_head(int head) { file.open(file_name, std::ios::in | std::ios::out | std::ios::binary); file.seekp(info_len * sizeof(int)); file.write(reinterpret_cast<const char*>(&head), sizeof(int)); file.close(); } 这样，每次需要获取或设置头节点时，就打开文件，定位到对应的位置，进行读写。 这样，在write函数中，流程如下： 检查空闲链表是否有可用块： - 读取头节点，如果head不为0，则取出该块，读取其前4字节作为下一个头节点，然后将该块的位置作为写入的index。然后，将头节点更新为下一个头节点的值。这样，该块被重新利用。 - 如果head为0，则将新块追加到文件末尾。此时，写入的位置是文件末尾的位置，即当前文件的大小。注意，文件的开头部分是info_len+1个int（假设头节点占一个int），之后是各个块的位置。每个块的大小是sizeof(T)。或者，每个块的大小是sizeof(T)，而写入的位置是从头节点之后的位置开始的？ 例如，文件的结构如下： [info_len ints] [head int] [T objects...] 每个T对象的位置是：info_len*4 +4 + (n-1)*sizeof(T) ? 或者，每个块的位置是：当没有空间回收时，新的块被追加到文件末尾。此时，文件的总大小是 (info_len+1)*4 + k*sizeof(T)，其中k是已分配的块数。或者，当存在空间回收时，部分块被回收，形成空闲链表。 这可能比较混乱，所以需要明确每个块的存储位置。 假设，在初始化之后，文件的大小是 (info_len +1) * sizeof(int) （前info_len个int是用户信息，之后一个int是头节点）。当没有空间回收时，每个新的块被写入到文件的末尾，即每次写入的位置是 (info_len+1)*4 + current_blocks * sizeof(T)。当有空间回收时，可能这些块的位置被重新利用。 所以，每个块的位置index的计算方式是，从(info_len +1)*4的位置开始，之后每个块的位置是该起始位置加上n * sizeof(T)，其中n是块的数量。或者，当存在空闲块时，index可能是这些空闲块的位置。 或者，index直接是块在文件中的起始位置的偏移量。例如，当写入一个块时，返回该块的起始位置。例如，块被写入到某个位置，比如文件的开头部分后的某个偏移量。例如，在MemoryRiver的write函数中，返回的index是该块在文件中的起始位置的字节偏移量。例如，如果块被写入到位置100，则index是100。这样，后续的update、read、Delete函数可以通过这个index直接定位到块的位置。 这样，每个块的存储位置可以是任意位置，只要能够通过index找到。例如，当空间回收时，空闲链表中的每个节点保存的是该块的起始位置（即index），而块的大小是sizeof(T)。这样，当需要分配新块时，如果有空闲块，就使用其中的一个，否则追加到文件末尾。 那如何实现这一点？ 首先，头节点存储的是一个index，即第一个空闲块的起始位置。每个空闲块的前4字节存储下一个空闲块的index。这样，空闲链表中的每个节点的index是块的起始位置。 例如，初始时，头节点为0。当第一次写入时，因为没有空闲块，所以将块写入到文件的末尾。假设此时文件的大小是(info_len+1)*4，那么新的块将被写入到该位置，即index = (info_len+1)*4。写入后，文件的大小增加了sizeof(T)。此时，返回的index是(info_len+1)*4。下一次写入时，如果之前没有删除操作，头节点仍为0，所以继续追加到文件末尾，位置是(info_len+1)*4 + sizeof(T)，依此类推。 当某个块被删除时，例如，该块的index是X，那么将该块的前4字节写入当前头节点的值，然后将头节点设置为X。这样，该块成为空闲链表的第一个节点。此时，当再次需要分配块时，从头节点取出X，将X作为新的块的index，然后读取X处的前4字节，作为新的头节点，并将X返回给用户。这样，该块被重新使用。 因此，块的大小必须至少能容纳一个int，以便存储下一个空闲块的index。而题目中给出T的大小大于int，所以满足条件。 综上，在实现write函数时，步骤如下： 1. 检查空闲链表是否有可用块（即头节点是否为0）。 2. 如果有可用块： a. 读取头节点的值（即当前第一个空闲块的index）。 b. 打开文件，定位到该index的位置，读取前4字节，得到下一个空闲块的index。 c. 将头节点更新为这个下一个空闲块的index。 d. 返回该index作为写入的位置，并在此处写入T对象（覆盖前4字节）。 3. 如果没有可用块： a. 定位到文件末尾，确定写入的位置index。 b. 将文件指针移动到该位置，写入T对象。 c. 返回该index。 而写入操作的具体步骤： 在write函数中，首先处理空间回收。如果有空闲块，取出第一个块的位置，并更新头节点。然后在该位置写入T对象，并返回该index。否则，追加到文件末尾。 实现步骤： 在MemoryRiver类中，需要维护头节点的位置，即在info_len之后的那个int的位置。例如，头节点的位置是info_len * sizeof(int)。 所以，在write函数中： int write(T &t) { // 检查是否有空闲块 int head = get_head(); int index; if (head != 0) { // 有空闲块，取出头节点 index = head; // 读取该块的下一个空闲块的index file.open(file_name, std::ios::in | std::ios::out | std::ios::binary); file.seekg(index); int next_head; file.read(reinterpret_cast<char*>(&next_head), sizeof(int)); file.close(); // 更新头节点为next_head set_head(next_head); // 现在，将t写入到index的位置，覆盖该块的前sizeof(T)字节 file.open(file_name, std::ios::in | std::ios::out | std::ios::binary); file.seekp(index); file.write(reinterpret_cast<const char*>(&t), sizeof(T)); file.close(); } else { // 没有空闲块，追加到文件末尾 file.open(file_name, std::ios::app | std::ios::binary); file.close(); // 先关闭，然后用in|out模式打开 file.open(file_name, std::ios::in | std::ios::out | std::ios::binary); file.seekp(0, std::ios::end); index = file.tellp(); file.write(reinterpret_cast<const char*>(&t), sizeof(T)); file.close(); } return index; } 但这里存在一个问题：当文件打开模式为app时，写入总是在文件末尾，无法在中间写入。所以在处理空闲块时，需要以in | out | binary模式打开文件，允许在任意位置写入。 那在追加的情况下，正确的步骤应该是： 确定当前文件末尾的位置，然后将对象写入到该位置。这可以通过将文件指针移动到末尾，然后获取当前位置，即tellp()，得到写入的index。 例如： file.open(file_name, std::ios::in | std::ios::out | std::ios::binary); file.seekp(0, std::ios::end); index = file.tellp(); file.write(...); file.close(); 这样，得到的index是文件末尾的位置，即新对象的起始位置。 现在，关于Delete函数的实现。当调用Delete(int index)时，需要将该块加入空闲链表。具体步骤是： 1. 将当前头节点的值读取出来。 2. 将当前头节点的值写入该块的前4字节。 3. 将该块的index设置为新的头节点。 例如： void Delete(int index) { // 读取当前头节点 int old_head = get_head(); // 将old_head写入到index处的前4字节 file.open(file_name, std::ios::in | std::ios::out | std::ios::binary); file.seekp(index); file.write(reinterpret_cast<const char*>(&old_head), sizeof(int)); file.close(); // 更新头节点为当前index set_head(index); } 这样，该块的前4字节保存原来的头节点，而新的头节点是该块的index。这样，该块被插入到空闲链表的头部。 接下来是read和update函数。这些函数需要根据给定的index，读取或写入T对象。 例如，read函数： void read(T &t, const int index) { file.open(file_name, std::ios::in | std::ios::binary); file.seekg(index); file.read(reinterpret_cast<char*>(&t), sizeof(T)); file.close(); } 同样，update函数： void update(T &t, const int index) { file.open(file_name, std::ios::in | std::ios::out | std::ios::binary); file.seekp(index); file.write(reinterpret_cast<const char*>(&t), sizeof(T)); file.close(); } 这些函数直接定位到index的位置，进行读写即可。 现在，剩下的问题是如何处理头节点的读写。例如，get_head和set_head函数是否正确？ 例如，头节点的位置是info_len * sizeof(int)。例如，当info_len=2时，头节点位于2*4=8的位置。每次读取或写入头节点时，都要定位到该位置。 因此，在MemoryRiver类中，可以添加两个辅助函数： private: int get_head() { int head; file.open(file_name, std::ios::in | std::ios::binary); file.seekg(info_len * sizeof(int)); file.read(reinterpret_cast<char*>(&head), sizeof(int)); file.close(); return head; } void set_head(int head) { file.open(file_name, std::ios::in | std::ios::out | std::ios::binary); file.seekp(info_len * sizeof(int)); file.write(reinterpret_cast<const char*>(&head), sizeof(int)); file.close(); } 但是，这些辅助函数可能需要处理文件的打开和关闭，这可能会有性能问题，但根据题目的提示，每次操作前打开文件，操作后关闭，所以这可能符合要求。 现在，将各部分整合到MemoryRiver类中。 此外，需要注意的是，在initialise函数中，是否初始化了头节点。原来的initialise函数将前info_len个int初始化为0，但头节点位于之后的int的位置，所以initialise函数可能没有初始化该位置。这可能是一个问题。因为当文件被初始化后，头节点应该初始化为0，表示没有空闲块。 因此，在initialise函数中，除了写入前info_len个int为0之外，还需要写入头节点（即第info_len+1个int）为0。但原来的initialise函数中的循环只写入info_len个int。所以，这可能是一个错误。需要修改initialise函数，使其在初始化时，不仅写入info_len个int，还写入头节点的位置为0。 但题目中的initialise函数是否允许修改？因为题目中的代码需要补全，而原来的initialise函数已经给出： void initialise(string FN = "") { if (FN != "") file_name = FN; file.open(file_name, std::ios::out); int tmp = 0; for (int i = 0; i < info_len; ++i) file.write(reinterpret_cast<char *>(&tmp), sizeof(int)); file.close(); } 该函数只写入了info_len个int，每个为0。而头节点的位置是之后的int，所以在初始化时，该位置不会被写入0。这将导致初始时头节点的值不确定。因此，这需要修正。 这可能是一个问题。例如，当第一次创建文件时，头节点的位置可能没有被初始化为0，导致后续操作错误。因此，需要修改initialise函数，使得头节点的位置也被初始化为0。 如何修正？ 可以修改initialise函数，使其在初始化时写入info_len +1个int，每个为0？或者，是否应该包括头节点的位置？ 或者，在initialise函数中，只写入用户要求的info_len个int，而类内部的管理信息（如头节点）的初始化由其他方式处理？ 这可能是一个设计问题。根据题目描述，initialise函数应该预留info_len个int作为存储一些参数的空间，这些int在initialise中被初始化为0。类内部的管理信息可能不在这些预留的int中，而是在之后的位置。因此，initialise函数应该只处理用户要求的info_len个int，而头节点的初始化可能在第一次写入时处理？ 这可能不可行，因为在第一次写入时，头节点的位置可能包含垃圾值。所以正确的做法是，在initialise函数中，除了用户要求的info_len个int之外，还应该初始化头节点的位置为0。但根据题目中的代码，initialise函数的代码已经固定，无法修改？ 或者，是否题目中的initialise函数的代码需要补全，即该函数是题目中给出的需要实现的代码，而用户提供的代码中可能包含该函数的实现，但需要补全其他部分？ 或者，用户提供的代码中的initialise函数是否已经正确初始化了文件，包括头节点的位置？ 这可能需要重新审视问题描述。题目中的MemoryRiver类的initialise函数需要被实现为，预留info_len个int，初始化为0。而类内部的管理信息（如头节点）应该存储在info_len之后的位置，所以在initialise函数中，这些位置可能未被初始化，从而导致问题。因此，在类的构造函数或者initialise函数中，可能需要确保头节点的位置被初始化为0，当文件被创建时。 这可能意味着initialise函数需要被修改，但在题目提供的代码中，initialise函数的实现可能无法修改。所以，这可能需要重新设计。 或者，是否在initialise函数中，文件被创建时，头节点的位置自动初始化为0？比如，当以out模式打开文件时，文件会被截断，并填充为0吗？这不一定正确，因为写入前info_len个int为0，而之后的部分可能未被写入，因此文件的大小为info_len*4字节。因此，头节点的位置（info_len*4）可能超出文件的大小，此时读取或写入该位置可能导致错误。 这可能是一个问题。例如，当调用initialise函数后，文件的大小是info_len*4字节。而头节点的位置是info_len*4，此时写入或读取该位置会超出文件末尾。因此，在首次运行程序时，头节点的位置需要被初始化为0，并且文件的大小必须足够大，以包含头节点的位置。 因此，在initialise函数中，必须确保头节点的位置被初始化为0，并且文件的大小至少为(info_len+1)*4字节。因此，原来的initialise函数存在错误，因为它只写入了info_len个int，每个4字节，总大小info_len*4字节，而头节点的位置在info_len*4，这超出了文件的大小，导致后续操作错误。 因此，必须修改initialise函数，在初始化时写入info_len+1个int，前info_len个为用户预留的，初始化为0，第info_len+1个为头节点，初始化为0。或者，是否允许这样做？ 根据题目描述，info_len是用户指定的，预留的int数量。所以，类内部的管理信息应该不占用用户的预留空间。因此，在initialise函数中，应该只处理用户的info_len个int，而头节点属于类内部的管理信息，必须在文件的其他位置进行初始化。但是，当initialise函数被调用时，文件可能被覆盖，所以此时头节点的位置可能没有被初始化，导致问题。 这可能是一个设计错误，或者需要额外的处理。 例如，在initialise函数中，除了写入用户的info_len个int之外，还需要写入头节点的位置为0。这可以通过在initialise函数中，写入info_len+1个int。但根据题目中的initialise函数实现，循环次数是info_len次，所以只能写入info_len个int。因此，无法在initialise函数中初始化头节点的位置。这会导致头节点的位置在文件初始化时未被正确初始化，可能导致运行时错误。 这可能是一个问题。例如，当首次运行程序时，initialise函数写入info_len个int，文件的大小是info_len*4字节。头节点的位置是info_len*4，此时该位置位于文件末尾之后，当尝试读取该位置时，会得到未定义的内容，或者0（如果文件系统自动填充0）？ 这可能因操作系统和文件系统而异。例如，当以二进制模式打开文件，并写入到超出文件末尾的位置，文件系统会自动填充中间的空白为0。但在这种情况下，当首次写入头节点时，需要确保该位置已经被正确初始化为0。 例如，在首次调用write函数时，如果头节点的位置尚未初始化，那么get_head函数读取该位置的值可能为0，或者为垃圾值。这可能导致错误。 例如，在initialise函数之后，文件的大小是info_len*4字节。头节点的位置是info_len*4，此时该位置在文件中不存在，所以当读取时，可能返回0或者错误。或者，当文件被打开并写入时，系统会自动扩展文件大小。 因此，可能的解决方法是，在initialise函数中，确保文件的大小至少为(info_len +1)*4字节。这可以通过在initialise函数中，写入info_len +1个int，每个初始化为0。这样，头节点的位置也被初始化为0。但原来的initialise函数的循环次数是info_len次，所以无法做到这点。因此，必须修改initialise函数的实现。 这可能意味着，用户提供的代码中的initialise函数存在错误，需要修正。例如，将循环次数改为info_len +1次？或者是否题目中的initialise函数需要被重新实现？ 根据题目描述中的要求，需要完成MemoryRiver.hpp中的代码，其中initialise函数的代码已经给出，但可能不完整。例如，原initialise函数可能没有正确初始化头节点的位置，导致后续操作错误。因此，必须找到一种方法，在initialise函数中初始化头节点的位置为0。 这可能需要修改initialise函数的实现。但是题目中的代码是否允许修改？ 根据用户提供的代码，initialise函数的实现如下： void initialise(string FN = "") { if (FN != "") file_name = FN; file.open(file_name, std::ios::out); int tmp = 0; for (int i = 0; i < info_len; ++i) file.write(reinterpret_cast<char *>(&tmp), sizeof(int)); file.close(); } 此时，file被以输出模式打开，这会截断文件，并写入info_len个int，每个为0。所以，文件的大小是info_len * sizeof(int)字节。头节点的位置是info_len * sizeof(int)，即文件末尾之后的位置。当首次运行时，头节点的位置将超出文件的大小，此时写入或读取该位置将导致文件指针移动到该位置，文件的大小可能被扩展，但文件的内容中间的空白部分可能被填充为0。例如，在文件末尾之后写入数据，文件系统会自动扩展文件的大小，并将中间的部分填充为0。 例如，当文件初始大小是info_len*4字节。此时，头节点的位置是info_len*4。当第一次调用set_head函数时，写入该位置，文件的大小会被扩展到至少(info_len+1)*4字节，而中间未被显式写入的部分（如果有的话）可能被填充为0。因此，在首次调用set_head(0)时，头节点的位置将被正确初始化为0。 或者，这可能不成立，因为当文件被打开并写入到超出文件末尾的位置时，中间的空隙可能不会被填充为0。例如，假设文件初始大小为8字节（info_len=2），头节点位置是8字节。此时，文件的大小是8字节。当向位置8写入一个int时，文件的大小会被扩展到12字节，而位置8-11的内容被设置为该int的值。因此，头节点的位置被正确初始化。 但如果在initialise函数之后，头节点的位置没有被初始化，而第一次写入头节点时，例如设置为0，这可能需要显式地写入。 这可能需要在类的构造或initialise函数中进行处理。例如，在initialise函数中，除了写入用户预留的info_len个int之外，还写入头节点的初始值为0。这可以通过在initialise函数中，将文件的大小扩展到足够大，覆盖头节点的位置。例如： void initialise(string FN = "") { if (FN != "") file_name = FN; file.open(file_name, std::ios::out | std::ios::binary); // 修改为二进制模式 int tmp = 0; for (int i = 0; i < info_len; ++i) file.write(reinterpret_cast<char *>(&tmp), sizeof(int)); // 初始化头节点的位置为0 // 头节点位于info_len*sizeof(int)的位置 file.write(reinterpret_cast<char*>(&tmp), sizeof(int)); file.close(); } 这样，头节点的位置也被初始化为0。同时，文件的大小为(info_len +1)*sizeof(int)字节。这样，头节点的初始值为0。 但根据题目中的initialise函数的原代码，该循环是写入info_len个int。如果题目中的initialise函数不能被修改，那如何解决？ 这可能是一个矛盾。因此，可能需要题目中的initialise函数存在错误，而我们需要在实现中处理这种情况。或者，可能题目中的initialise函数没有错误，但我们需要在之后的函数中处理头节点的初始化。 例如，在第一次调用write函数时，如果头节点的位置未被初始化，则自动初始化为0。这可以通过判断文件的大小，如果头节点的位置超出文件的大小，则将其初始化为0。例如，在get_head函数中，检查文件的大小： int get_head() { file.open(file_name, std::ios::in | std::ios::binary); file.seekg(0, std::ios::end); int file_size = file.tellg(); file.seekg(info_len * sizeof(int)); if (file_size < (info_len +1)*sizeof(int)) { // 头节点的位置未被初始化，返回0 file.close(); return 0; } int head; file.read(reinterpret_cast<char*>(&head), sizeof(int)); file.close(); return head; } 同样，在set_head函数中，如果文件的大小不足以容纳头节点的位置，则需要扩展文件，并将中间部分填充为0。这可能比较复杂。 这可能是一个可行的解决方案，但实现起来较为复杂。因此，最稳妥的方式是修改initialise函数，确保头节点的位置被正确初始化。但根据题目中的代码，initialise函数的代码已经固定，无法修改。因此，这可能意味着题目中的initialise函数存在错误，而我们需要在实现中处理这种情况。 或者，可能题目中的initialise函数是用户提供的代码的一部分，需要补全其他部分，而initialise函数中的代码可能并不正确，我们需要在后续的实现中处理。 这可能是一个设计上的问题，导致无法正确初始化头节点的位置。因此，正确的做法可能是在MemoryRiver类的实现中，确保头节点的位置被正确初始化，即使在initialise函数中没有显式地初始化。 例如，在第一次写入或读取头节点时，如果文件的大小不足以容纳头节点的位置，则自动将其初始化为0。这可能需要在get_head和set_head函数中进行处理。 例如，在get_head函数中： int get_head() { file.open(file_name, std::ios::in | std::ios::binary); file.seekg(0, std::ios::end); int file_size = file.tellg(); // 计算头节点的位置 int head_pos = info_len * sizeof(int); if (file_size < head_pos + sizeof(int)) { // 头节点的位置尚未初始化，返回0 file.close(); return 0; } file.seekg(head_pos); int head; file.read(reinterpret_cast<char*>(&head), sizeof(int)); file.close(); return head; } 这样，当文件大小不足以包含头节点的位置时，返回0。这可能是一个合理的选择，因为当文件刚被initialise函数初始化时，头节点的位置尚未被写入，此时返回0，表示没有空闲块。 同样，在set_head函数中，确保文件足够大，以容纳头节点的位置： void set_head(int head) { file.open(file_name, std::ios::in | std::ios::out | std::ios::binary); // 定位到頭节点的位置 file.seekp(info_len * sizeof(int)); // 写入头节点的值 file.write(reinterpret_cast<const char*>(&head), sizeof(int)); file.close(); } 这样，当文件的大小不足以容纳头节点的位置时，seekp会移动到该位置，并在写入时自动扩展文件的大小，填充中间的部分为0。例如，当文件的大小是info_len*4，而头节点的位置是info_len*4，此时写入该位置，文件的大小会被扩展为(info_len+1)*4，中间未被写入的部分（如果有的话）会被填充为0。因此，这可以确保头节点的位置被正确初始化。 综上，虽然initialise函数可能没有初始化头节点的位置，但通过set_head函数，在第一次写入头节点时，会自动扩展文件的大小，并正确设置其值。因此，在首次运行程序时，头节点的位置会被正确初始化为0。 现在，将所有部分的实现整合到MemoryRiver类中。 对于get_info和write_info函数： void get_info(int &tmp, int n) { if (n > info_len) return; file.open(file_name, std::ios::in | std::ios::binary); file.seekg((n-1)*sizeof(int)); file.read(reinterpret_cast<char*>(&tmp), sizeof(int)); file.close(); } void write_info(int tmp, int n) { if (n > info_len) return; file.open(file_name, std::ios::in | std::ios::out | std::ios::binary); file.seekp((n-1)*sizeof(int)); file.write(reinterpret_cast<const char*>(&tmp), sizeof(int)); file.close(); } 这些函数直接操作用户可见的info部分，即前info_len个int的位置。 对于write函数： int write(T &t) { int head = get_head(); int index; if (head != 0) { // 有空闲块，取出头节点 index = head; // 读取该块的下一个空闲块的index file.open(file_name, std::ios::in | std::ios::out | std::ios::binary); file.seekg(index); int next_head; file.read(reinterpret_cast<char*>(&next_head), sizeof(int)); file.close(); // 更新头节点为next_head set_head(next_head); // 写入T对象 file.open(file_name, std::ios::in | std::ios::out | std::ios::binary); file.seekp(index); file.write(reinterpret_cast<const char*>(&t), sizeof(T)); file.close(); } else { // 没有空闲块，追加到文件末尾 file.open(file_name, std::ios::in | std::ios::out | std::ios::binary); file.seekp(0, std::ios::end); index = file.tellp(); // 检查index是否有效 if (index == -1) { // 错误处理？例如，文件未打开 // 但假设文件已正确打开 } file.write(reinterpret_cast<const char*>(&t), sizeof(T)); file.close(); } return index; } Delete函数： void Delete(int index) { // 读取当前头节点 int old_head = get_head(); // 将old_head写入到index处的前4字节 file.open(file_name, std::ios::in | std::ios::out | std::ios::binary); file.seekp(index); file.write(reinterpret_cast<const char*>(&old_head), sizeof(int)); file.close(); // 更新头节点为当前index set_head(index); } read和update函数： void read(T &t, const int index) { file.open(file_name, std::ios::in | std::ios::binary); file.seekg(index); file.read(reinterpret_cast<char*>(&t), sizeof(T)); file.close(); } void update(T &t, const int index) { file.open(file_name, std::ios::in | std::ios::out | std::ios::binary); file.seekp(index); file.write(reinterpret_cast<const char*>(&t), sizeof(T)); file.close(); } 现在，检查是否满足所有要求： - 空间回收：通过空闲链表实现，使用头节点管理。 - 文件头部info_len个int被用户使用，内部使用一个int来管理空闲链表。 - 所有操作都在正确的位置进行读写。 - 每次操作前打开文件，操作后关闭。 测试是否会出现问题： 例如，当第一次调用write函数时，头节点为0，所以追加到文件末尾。文件的初始大小是info_len*4字节（由initialise函数生成）。当追加一个T对象时，文件的大小会变为(info_len+1)*4 + sizeof(T)字节？ 或者，头节点的位置是info_len*4，在initialise函数之后，文件的大小是info_len*4字节。当第一次写入头节点时，set_head(0)，这将写入到info_len*4的位置，此时文件的大小被扩展为(info_len+1)*4字节。然后，当写入T对象时，如果没有空闲块，将追加到文件末尾，即(info_len+1)*4字节的位置，写入sizeof(T)字节，因此文件的总大小是(info_len+1)*4 + sizeof(T)字节。 这可能符合预期。 综上，所有部分应该可以正确工作。因此，最终的MemoryRiver.hpp的实现应该包括上述各个函数的实现。</think>以下是实现 `MemoryRiver` 类的分步解决方案： ### 实现思路 1. **文件结构**： - 文件开头预留 `info_len` 个 `int` 供用户使用。 - 之后预留一个 `int` 用于管理空间回收（空闲链表头节点）。 - 后续为存储的 `T` 类型对象，可能包含已删除的空闲块。 2. **空间回收**： - 使用空闲链表管理被删除的块。 - 每个空闲块的前 `sizeof(int)` 字节存储下一个空闲块的索引。 - 头节点存储在 `info_len` 之后的固定位置。 3. **关键操作**： - **写入对象**：优先使用空闲块，否则追加到文件末尾。 - **删除对象**：将块加入空闲链表头部。 - **读写对象**：直接定位到指定索引。 ### 代码实现 ```cpp #ifndef BPT_MEMORYRIVER_HPP #define BPT_MEMORYRIVER_HPP #include <fstream> #include <string> using std::string; using std::fstream; using std::ifstream; using std::ofstream; template<class T, int info_len = 2> class MemoryRiver { private: fstream file; string file_name; int sizeofT = sizeof(T); // 获取空闲链表头节点 int get_head() { file.open(file_name, std::ios::in | std::ios::binary); file.seekg(info_len * sizeof(int), std::ios::beg); int head = 0; if (file) { file.read(reinterpret_cast<char*>(&head), sizeof(int)); } file.close(); return head; } // 设置空闲链表头节点 void set_head(int head) { file.open(file_name, std::ios::in | std::ios::out | std::ios::binary); file.seekp(info_len * sizeof(int), std::ios::beg); file.write(reinterpret_cast<const char*>(&head), sizeof(int)); file.close(); } public: MemoryRiver() = default; MemoryRiver(const string& file_name) : file_name(file_name) {} void initialise(string FN = "") { if (!FN.empty()) file_name = FN; file.open(file_name, std::ios::out | std::ios::binary); int tmp = 0; for (int i = 0; i < info_len; ++i) { file.write(reinterpret_cast<char*>(&tmp), sizeof(int)); } file.close(); } void get_info(int &tmp, int n) { if (n > info_len) return; file.open(file_name, std::ios::in | std::ios::binary); file.seekg((n - 1) * sizeof(int)); file.read(reinterpret_cast<char*>(&tmp), sizeof(int)); file.close(); } void write_info(int tmp, int n) { if (n > info_len) return; file.open(file_name, std::ios::in | std::ios::out | std::ios::binary); file.seekp((n - 1) * sizeof(int)); file.write(reinterpret_cast<const char*>(&tmp), sizeof(int)); file.close(); } int write(T &t) { int head = get_head(); int index; if (head != 0) { index = head; file.open(file_name, std::ios::in | std::ios::out | std::ios::binary); file.seekg(index); int next_head; file.read(reinterpret_cast<char*>(&next_head), sizeof(int)); file.close(); set_head(next_head); } else { file.open(file_name, std::ios::in | std::ios::out | std::ios::binary); file.seekp(0, std::ios::end); index = file.tellp(); file.close(); } file.open(file_name, std::ios::in | std::ios::out | std::ios::binary); file.seekp(index); file.write(reinterpret_cast<const char*>(&t), sizeof(T)); file.close(); return index; } void update(T &t, const int index) { file.open(file_name, std::ios::in | std::ios::out | std::ios::binary); file.seekp(index); file.write(reinterpret_cast<const char*>(&t), sizeof(T)); file.close(); } void read(T &t, const int index) { file.open(file_name, std::ios::in | std::ios::binary); file.seekg(index); file.read(reinterpret_cast<char*>(&t), sizeof(T)); file.close(); } void Delete(int index) { int old_head = get_head(); file.open(file_name, std::ios::in | std::ios::out | std::ios::binary); file.seekp(index); file.write(reinterpret_cast<const char*>(&old_head), sizeof(int)); file.close(); set_head(index); } }; #endif //BPT_MEMORYRIVER_HPP ``` ### 关键点说明 1. **空间回收**：使用空闲链表管理删除的块，通过头节点快速定位可重用空间。 2. **文件操作**：每次操作前打开文件，操作后关闭，确保原子性。 3. **头节点管理**：存储在用户信息之后，确保用户数据与管理数据隔离。 4. **二进制模式**：所有文件操作均使用二进制模式，避免文本模式转换问题。