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C++模拟实现vector的示例代码

2022-09-23 14:28:32 作者：。菀枯。

大家在学习C++的时候一定会学到STL（标准模板库），这是C++标准库中最重要的组成部分，它包含了常用的数据结构和算法。今天呢，我们首先来学习STL中的vector容器

1.前言

2.vector介绍

vector的数据安排和操作方式与我们平时使用的数组非常相似，唯一的区别在于数组是一个固定空间，而vector的空间可以随着元素的改变而发生改变。

还是和之前一样，vector的使用方式大家可以去查阅官方文档std::vector - cppreference.com

3.vector模拟实现

vector维护的是一个线性空间，所以无论其元素为什么类别，普通指针都可以作为vector的迭代器而满足所有必要条件。vector要和普通数组一样支持随机存取，而普通指针正有这样的能力。

为了维护一个vector我们只需要三个指针，一个使用空间的头，一个使用空间的尾，一个指向可用空间的尾。

第一个和第二个指针的作用我知道，但是为什么要有第三个指针呢？

这是为了降低计算机空间配置的成本，每次申请一块小空间和申请一块大空间的时间成本差不多，所以vector在申请空间的时候，通常会多申请一些空间，以备将来可能的扩充。

template <typename T>
class vector
{
private:
    iterator _start;
    iterator _end;
    iterator _endOfStorage;
public:
    typedef T* iterator;
    typedef const T* const_iterator;

};

3.1 迭代器接口

接下来我们来补充一下vector的迭代器接口，

template <typename T>
class vector
{
private:
    //...
public:
    iterator begin() { return _start; }
    iterator end() { return _end; }
    size_t size() const
    {
        return size_t(_end - _start);
    }
    size_t capacity() const
    {
        return size_t(_endOfStorage - begin());
    }
    bool empty() const 
    {
        return begin() == end();
    }
    T& operator[](size_t n)
    {
        return *(begin() + n);
    }
    T& fornt(){return *begin()};
    T& back() { return *(end() - 1); }
};

vector的迭代器就是原生指针，我们只是将这个原生指针进行一下封装，让使用者按照我们想要的方式来使用即可。

3.2 vector元素操作

3. 2. 1 删除元素

首先，我们实现一个比较简单的操作：pop_back()，将指向使用空间的尾的迭代器向前移动

void pop_back()
{
    if (_end > _start)
    {
        --_end;
    }
}

实现完简单的pop_back，接下来我们去实现一个较为困难的接口，可以在任意位置进行删除的erase接口。

//清除[first, last)的元素
iterator erase(iterator first, iterator last)
{
    assert(first >= _start && last <= _end);
    iterator ret = first;
    while(last != end())
    {
        *first = *last;
        first++;
        last++;
    }
    _end = first;
    return ret;
}

因为我们没有实现空间配置器，所以在这里的删除我们并不释放空间，只是将后面的内容往前挪动后，改变_end的指向就好了。

实现完区间erase之后，之后的位置erase和clear我们都可以去复用了

//清除指定位置元素
iterator erase(iterator positon)
{
    assert(positon + 1 <= end());
    return erase(positon, positon + 1);
}
//清空
void clear()
{
    erase(begin(), end());
}

细心的朋友会发现，erase的返回值不是void，而是起始位置的迭代器，这是为什么呢？

迭代器失效

迭代器失效，实际就是迭代器底层对应指针所指向的空间被销毁了，而使用一块已经被释放的空间，造成的后果是程序崩溃。

#include <vector>
#include <iostream>
#include <algorithm>

using namespace std;

int main()
{
    int a[] = {0, 1, 2, 3, 4};
    vector<int> v(a, a + sizeof(a) / sizeof(int));
    //寻找3的位置
    auto p = find(v.begin(), v.end(), 3);
    //删除3
    v.erase(p);
    //访问3
    cout << *p << endl; //输出4
    return 0;
}

erase删除p位置元素后，p位置之后的元素会往前搬移，没有导致底层空间的改变，理论上讲迭代器不应该会失效，但是：如果p刚好是最后一个元素，删完之后p刚好是end的位置，而end位置是没有元素的，那么p就失效了。

所以为了避免迭代器失效的问题，给erase添加了返回值，通过这个返回值来更新迭代器的值，防止迭代器失效。

3. 2. 2 空间配置

接下来我们来实现对vector的存储空间进行配置的两个接口reserve 和 resize。

首先是reserve，它只需要改变空间大小，并将原本vector空间内的内容拷贝到新空间中即可

void reserve(size_t n)
{
    size_t sz = size();
    //申请空间大于当前空间，扩容
    if (n > capacity())
    {
        T *tmp = new T[n];
        if (_start)
        {
            //将原本空间内容拷贝到新空间
            for (int i = 0; i < size(); ++i)
            {
                tmp[i] = _start[i];
            }
            delete[] _start;
        }
        _start = tmp;
    }
    //改变指针
    _end = _start + sz;
    _endOfStorage = _start + n;
}

接下来是resize，它和reserve有所不同，reserve只是开辟新空间，而resize还可以进行初始化

void resize(size_t n, const T &val = T())
{
    //空间不够，复用reserve进行扩容
    if (n > capacity())
    {
        reserve(n);
    }
    //元素不够，将后面的内容初始化
    if (n > size())
    {
        for (int i = size(); i < n; i++)
        {
            _start[i] = val;
        }
        _end = _start + n;
    }
    else
    {
        _end = _start + n;
    }
}

3. 2. 3 添加元素

这次我们先从比较难的insert开始吧，insert可以在指定位置插入元素

iterator insert(iterator pos, const T &x)
{
    assert(pos >= _start && pos <= _end);
    //空间不够，进行扩容
    if (_end == _endOfStorage)
    {
        size_t n = pos - _start;
        size_t newCapacity = capacity() == 0 ? 4 : capacity() * 2;
        reserve(newCapacity);
        pos = _start + n;
    }
    
    //挪动数据，给新元素空出位置插入
    iterator finish = _end - 1;
    while (finish >= pos)
    {
        *(finish + 1) = *finish;
        --finish;
    }
    *pos = x;
    ++_end;
    return pos;
}

完成了困难的insert后，我们再去实现简单的push_back

void push_back(const T &x)
{
    //空间不够 扩容
    if (_end == _endOfStorage)
    {
        size_t newCapacity = capacity() == 0 ? 4 : capacity() * 2;
        reserve(newCapacity);
    }
    *_end = x;
    ++_end;
}

3. 3 构造与析构

构造函数

首先是构造函数，vector的构造函数平时用的比较多的有以下三个版本

//无参构造
vector()
    : _start(nullptr), _end(nullptr), _endOfStorage(nullptr)
{
}
//迭代器区间构造
template <class InputIterator>
vector(InputIterator first, InputIterator last)
    : _start(nullptr), _end(nullptr), _endOfStorage(nullptr)
{
    while (first != last)
    {
        push_back(*first);
        ++first;
    }
}

vector(int n, const T &val)
    : _start(nullptr), _end(nullptr), _endOfStorage(nullptr)
{
    reserve(n);
    while (n--)
    {
        push_back(val);
    }
}

拷贝构造

在这里我选择的是一种比较简单的写法，使用迭代器区间构造函数去创建一个临时对象，然后将临时对象的资源与此对象进行一个互换

vector(const vector<T> &t)
    : _start(nullptr), _end(nullptr), _endOfStorage(nullptr)
{
    vector<T> tmp(t.begin(), t.end());
    swap(tmp);
}

void swap(vector<T> &t)
{
    std::swap(_start, t._start);
    std::swap(_end, t._end);
    std::swap(_endOfStorage, t._endOfStorage);
}

析构函数

析构函数将new出来的空间，delete掉即可

~vector()
{
    if (_start)
    {
        delete[] _start;
        _start = _end = _endOfStorage = nullptr;
    }
}

到此这篇关于C++模拟实现vector的示例代码的文章就介绍到这了,更多相关C++ vector内容请搜索脚本之家以前的文章或继续浏览下面的相关文章希望大家以后多多支持脚本之家！