C++ vector模拟实现的代码详解
作者：平凡的小苏
vector是表示可变大小数组的序列容器，就像数组一样，vector也采用的连续存储空间来存储元素，本质讲，vector使用动态分配数组来存储它的元素，本文将给大家详细介绍一下C++ vector模拟实现,需要的朋友可以参考下
一、vector认识
vector是表示可变大小数组的序列容器。
就像数组一样，vector也采用的连续存储空间来存储元素。也就是意味着可以采用下标对vector的元素进行访问，和数组一样高效。但是又不像数组，它的大小是可以动态改变的，而且它的大小会被容器自动处理。
本质讲，vector使用动态分配数组来存储它的元素。当新元素插入时候，这个数组需要被重新分配大小为了增加存储空间。其做法是，分配一个新的数组，然后将全部元素移到这个数组。就时间而言，这是一个相对代价高的任务，因为每当一个新的元素加入到容器的时候，vector并不会每次都重新分配大小。
vector分配空间策略：vector会分配一些额外的空间以适应可能的增长，因为存储空间比实际需要的存储空间更大。不同的库采用不同的策略权衡空间的使用和重新分配。但是无论如何，重新分配都应该是对数增长的间隔大小，以至于在末尾插入一个元素的时候是在常数时间的复杂度完成的。
因此，vector占用了更多的存储空间，为了获得管理存储空间的能力，并且以一种有效的方式动态增长。
与其它动态序列容器相比（deque, list and forward_list）， vector在访问元素的时候更加高效，在末尾添加和删除元素相对高效。对于其它不在末尾的删除和插入操作，效率更低。比起list和forward_list统一的迭代器和引用更好
二、vector迭代器失效
迭代器的主要作用就是让算法能够不用关心底层数据结构，其底层实际就是一个指针，或者是对指针进行了封装，比如：vector的迭代器就是原生态指针T。因此迭代器失效，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(即如果继续使用已经失效的迭代器，程序可能会崩溃)。
对于vector可能会导致其迭代器失效的操作有：
- 会引起其底层空间改变的操作，都有可能是迭代器失效，比如：resize、reserve、insert、assign、push_back等。
代码例子：
#include <iostream>
using namespace std;
#include <vector>
int main()
{
vector<int> v{1,2,3,4,5,6};
auto it = v.begin();
// 将有效元素个数增加到100个，多出的位置使用8填充，操作期间底层会扩容
// v.resize(100, 8);
// reserve的作用就是改变扩容大小但不改变有效元素个数，操作期间可能会引起底层容量改变
// v.reserve(100);
// 插入元素期间，可能会引起扩容，而导致原空间被释放
// v.insert(v.begin(), 0);
// v.push_back(8);
// 给vector重新赋值，可能会引起底层容量改变
v.assign(100, 8);
/*
出错原因：以上操作，都有可能会导致vector扩容，也就是说vector底层原理旧空间被释放掉，
而在打印时，it还使用的是释放之间的旧空间，在对it迭代器操作时，实际操作的是一块已经被释放的
空间，而引起代码运行时崩溃。
解决方式：在以上操作完成之后，如果想要继续通过迭代器操作vector中的元素，只需给it重新
赋值即可。
*/
while(it != v.end())
{
cout<< *it << " " ;
++it;
}
cout<<endl;
return 0;
}- 指定位置元素的删除操作--erase
代码例子：
void test_vector3()
{
vector<int> v1;
v1.push_back(1);
v1.push_back(2);
v1.push_back(2);
v1.push_back(3);
v1.push_back(4);
v1.push_back(5);
v1.push_back(6);
for (auto e : v1)
{
cout << e << " ";
}
cout << endl;
auto it = v1.begin();
//while(it != v1.end())//错误代码
//{
// if(*it % 2 == 0)
// {
// v1.erase(it);
// }
// it++;
//}
while (it != v1.end())
{
if (*it % 2 == 0)
{
it = v1.erase(it);
}
else
{
++it;
}
}
}
注意：运行错误代码时，程序崩溃了，为什么？
其实是因为erase删除pos位置元素后，pos位置之后的元素会往前搬移，他没有接收返回值而是一味的进行++操作导致程序越界奔溃。
在Visual Studio2019中，调用vector的insert()和erase()接口后，it迭代器（包括it之后的自定义迭代器）将会失效，如果仍操作这些已经失效的迭代器，编译器将会引发异常。
我尝试在Linux的g++编译器下运行相同debug版本的程序（编译时带上-g选项），发现g++中调用完insert()和erase()接口后，it迭代器并未失效，甚至可以操纵it读写_end_of_storage-_finish这部分空间，这是错误的，这要求我们要规范使用insert和erase接口。
三、vector模拟实现构造函数调用不明确问题
void test_vector7()
{
/*vector<int> v(10u, 1);
vector<string> v1(10, "1111");*/
vector<int> v2(10, 1);
for (auto e : v2)
{
cout << e << " ";
}
//cout << endl;
//vector<int> v3(v.begin(), v.end());
//for (auto e : v3)
//{
// cout << e << " ";
//}
//cout << endl;
//string str("hello world");
//vector<char> v4(str.begin(), str.end());
//for (auto e : v4)
//{
// cout << e << " ";
//}
//cout << endl;
//int a[] = { 16,2,77,29 };
//vector<int> v5(a, a + 4);
//for (auto e : v5)
//{
// cout << e << " ";
//}
//cout << endl;
}
注意：我们运行没有注释的代码时，代码报非法的间接寻址，这是因为发生了构造函数调用不明确的问题
而注释代码没有发生调用不明确的问题。看下图
对于没有注释的代码来说第二个构造函数更匹配，所以发生了调用不明确
调用不明确问题解决方法
我们需要重载一个int类型的构造函数这样就解决了调用函数不明确的问题
四、模拟实现reserve函数发生的浅拷贝问题
代码：
void reserve(size_t n)
{
if (n > capacity())
{
//扩容前保存个数，因为扩容后指针不是原来的指针了
size_t sz = size();
T* tmp = new T[n];
// 拷贝前_start不能为空
if (_start)
{
// memcpy(tmp,_start,sizeof(T) * sz);//拷贝自定义类型时浅拷贝.错误代码
for (int i = 0; i < size(); i++)
{
tmp[i] = _start[i];//自定义类型时调用赋值重载
}
delete []_start;
}
_start = tmp;
_finish = _start + sz;
_endOfStorage = _start + n;
}
}vector是深拷贝，但是vector空间上存的对象是string的数组，使用memcpy导致string对象的浅拷贝问题
解决方法：我们需要遍历数组调用赋值拷贝来解决问题
五、vector模拟实现源码
#define _CRT_SECURE_NO_WARNINGS 1
#pragma once
#include <iostream>
#include <string.h>
#include <assert.h>
using namespace std;
namespace sqy
{
template<class T>
class vector
{
public:
typedef T* iterator;
typedef const T* const_iterator;
public:
iterator begin()
{
return _start;
}
iterator end()
{
return _finish;
}
const_iterator begin() const
{
return _start;
}
const_iterator end() const
{
return _finish;
}
vector()
:_start(nullptr)
, _finish(nullptr)
, _endOfStorage(nullptr)
{}
vector(int n, const T& value = T())
{
resize(n, value);
}
vector(size_t n, const T& value = T())
{
resize(n, value);
}
template<class InputIterator>
vector(InputIterator first, InputIterator last)
{
while (first != last)
{
push_back(*first);
++first;
}
}
vector(const vector<T>& v)
{
_start = new T[v.capacity()];
for (size_t i = 0; i < v.size(); i++)
{
_start[i] = v._start[i];
}
_finish = _start + v.size();
_endOfStorage = _start + v.capacity();
}
vector<T>& operator= (vector<T> v)
{
swap(v);
return *this;
}
void swap(vector<T>& v)
{
std::swap(_start, v._start);
std::swap(_finish, v._finish);
std::swap(_endOfStorage, v._endOfStorage);
}
~vector()
{
delete []_start;
_start = _finish = _endOfStorage = nullptr;
}
void push_back(const T& x)
{
//扩容
if (_finish == _endOfStorage)
{
reserve(capacity() == 0 ? 4 : capacity() * 2);
}
*_finish = x;
++_finish;
}
void pop_back()
{
assert(size() > 0);
--_finish;
}
void reserve(size_t n)
{
if (n > capacity())
{
//扩容前保存个数，因为扩容后指针不是原来的指针了
size_t sz = size();
T* tmp = new T[n];
// 拷贝前_start不能为空
if (_start)
{
// memcpy(tmp,_start,sizeof(T) * sz);//拷贝自定义类型时浅拷贝
for (int i = 0; i < size(); i++)
{
tmp[i] = _start[i];//自定义类型时调用赋值重载
}
delete []_start;
}
_start = tmp;
_finish = _start + sz;
_endOfStorage = _start + n;
}
}
void resize(size_t n, const T& value = T())
{
if (n < size())
{
_finish = _start + n;
}
else
{
if (n >= capacity())
{
reserve(n);
}
while (_finish < _start + n)
{
*_finish = value;
++_finish;
}
}
}
size_t size() const
{
return _finish - _start;
}
size_t capacity() const
{
return _endOfStorage - _start;
}
T& operator[](size_t pos)
{
assert(pos < size());
return _start[pos];
}
const T& operator[](size_t pos) const
{
assert(pos < size());
return _start[pos];
}
iterator insert(iterator pos, const T& x)
{
assert(pos <= _finish && pos >= _start);
size_t sz = pos - _start;
if (_finish == _endOfStorage)
{
reserve(capacity() == 0 ? 4 : capacity() * 2);
pos = _start + sz;
}
iterator end = _finish - 1;
while (end >= pos)
{
*(end + 1) = *end;
--end;
}
*pos = x;
++_finish;
return pos;
}
iterator erase(iterator pos)
{
assert(pos < _finish&& pos >= _start);
if (size() > 0)
{
iterator begin = pos;
while (begin < _finish)
{
*begin = *(begin + 1);
++begin;
}
}
--_finish;
return pos;
}
private:
iterator _start = nullptr;//指向数据块的开始
iterator _finish = nullptr;//指向数据块的尾
iterator _endOfStorage = nullptr;//指向存储容量的尾
};
void Test_vector()
{
vector<string>v;
v.push_back("aaaaaaaaaaaaaaa");
v.push_back("bbbbbbbbbbbbbbb");
v.push_back("ccccccccccccccc");
v.push_back("ddddddddddddddd");
v.push_back("eeeeeeeeeeeeeee");
for (auto t : v)
{
cout << t << endl;
}
}
void test_vector1()
{
vector<int> v1;
v1.push_back(1);
v1.push_back(2);
v1.push_back(3);
v1.push_back(4);
v1.push_back(5);
for (auto e : v1)
{
cout << e << " ";
}
cout << endl;
for (size_t i = 0; i < v1.size(); i++)
{
v1[i]++;
}
for (auto e : v1)
{
cout << e << " ";
}
cout << endl;
}
void test_vector3()
{
vector<int> v1;
v1.push_back(1);
v1.push_back(2);
v1.push_back(2);
v1.push_back(3);
v1.push_back(4);
v1.push_back(5);
v1.push_back(6);
for (auto e : v1)
{
cout << e << " ";
}
cout << endl;
auto it = v1.begin();
while(it != v1.end())//错误代码
{
if(*it % 2 == 0)
{
v1.erase(it);
}
it++;
}
/*while (it != v1.end())
{
if (*it % 2 == 0)
{
it = v1.erase(it);
}
else
{
++it;
}
}*/
//v1.erase(v1.begin());
//auto it = v1.begin()+4;
//v1.erase(it);
erase以后，迭代器失效了，不能访问
vs进行强制检查，访问会直接报错
//cout << *it << endl;
//++it;
//cout << *it << endl;
for (auto e : v1)
{
cout << e << " ";
}
cout << endl;
}
void test_vector4()
{
vector<int> v;
v.resize(10, 0);
for (auto e : v)
{
cout << e << " ";
}
cout << endl;
}
void test_vector5()
{
vector<int> v;
v.push_back(1);
v.push_back(2);
v.push_back(3);
v.push_back(4);
v.push_back(5);
vector<int> v1(v);
for (auto e : v1)
{
cout << e << " ";
}
cout << endl;
vector<int> v2;
v2.resize(10, 1);
v1 = v2;
for (auto e : v1)
{
cout << e << " ";
}
cout << endl;
}
void test_vector7()
{
/*vector<int> v(10u, 1);
vector<string> v1(10, "1111");*/
vector<int> v2(10, 1);
for (auto e : v2)
{
cout << e << " ";
}
//cout << endl;
//vector<int> v3(v.begin(), v.end());
//for (auto e : v3)
//{
// cout << e << " ";
//}
//cout << endl;
//string str("hello world");
//vector<char> v4(str.begin(), str.end());
//for (auto e : v4)
//{
// cout << e << " ";
//}
//cout << endl;
//int a[] = { 16,2,77,29 };
//vector<int> v5(a, a + 4);
//for (auto e : v5)
//{
// cout << e << " ";
//}
//cout << endl;
}
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