• 【C++】vector的模拟实现

    目录

    👉前言👈

    我们接下来要模拟实现的 vector，主要参照源码来写。但也不是完全照抄源码，主要是实现 vector 核心的函数接口，知道 vector 的底层实现逻辑。

    👉如何看源码👈

    源码并不是每一行都要看懂，而是抓住源码的核心。那对于一个类，我们需要关注的是这个类的成员变量和核心的成员函数。而 vector 的成员函数我们不用太关心，因为 STL 要实现哪些函数接口是有规定的。

    以下为 vector 源码的成员变量。

    在这里插入图片描述

    注：源码中的 vector 的成员变量都是迭代器，而 vector 的迭代器是指针。而我们之前写的 string 和顺序表都是T* a; size_t _size; size_t _capacity，那为什么源码要这么定义成员变量呢？见下图：

    在这里插入图片描述

    其实这两种定义成员变量的方式本质上是一致的，只是换了种玩法而已。

    👉vector 的模拟实现👈

    vector 的主要框架

    namespace Joy
{
	template<class T>
	class  vector
	{
	public:
		typedef T* iterator;
		typedef const T* const_iterator;
	private:
		iterator _start;
		iterator _finish;
		iterator _endofstorage;
	};
}

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    为了避免跟库里的 vector 冲突了，我们用命名空间将我们自己实现的 vector 封装起来。

    无参的拷贝构造

    vector()
	:_start(nullptr)
	, _finish(nullptr)
	, _endofstorage(nullptr)
{}

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    注：_start 指向第一个位置，_finish 指向最后一个元素的下一个位置，_endofstorage 指向最大容量的下一个位置。

    正向迭代器

    iterator begin()
{
	return _start;
}

iterator end()
{
	return _finish;
}

const_iterator begin() const
{
	return _start;
}

const_iterator end() const
{
	return _finish;
}

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    size 和 capacity

    bool empty() const
{
	return _start == _finish;
}

size_t size() const
{
	return _finish - _start;
}

size_t capacity() const
{
	return _endofstorage - _start;
}

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    指针相减为两个指针之间的元素个数，所以_finish - _start 为 size，_endofstorage - _start为 capacity。当_start == _finish时，size 为0。

    reserve 和 resize

    void reserve(size_t n)
{
	if (n > capacity())
	{
		size_t oldSize = size();
		T* tmp = new T[n];

		// _start为nullptr时，不需要拷贝数据
		if (_start)
		{
			memcpy(tmp, _start, sizeof(T) * oldSize);
			delete[] _start;
		}

		_start = tmp;
		_finish = tmp + oldSize;
		_endofstorage = tmp + n;
	}
}

void resize(size_t n, T x = T())
{
	if (n > capacity())
	{
		reserve(n);
	}

	if (n > size())
	{
		while (_finish < _start + n)
		{
			*_finish = x;
			++_finish;
		}
	}
	else
	{
		_finish = _start + n;
	}
}

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    reserve 函数接口说明

    注：使用 memcpy 函数来拷贝数据会带来一些问题，我们在后面的内容会讲解。

    如果没有oldSize来记录原来 size 的大小，就需要考虑成员变量的更新顺序了。见下方代码：

    // 错误的更新方式:先更新_start
_start = tmp;
_finish = tmp + size(); 
_endofstorage = tmp + n;

// 正确的更新方式:先更新_finish
_finish = tmp + size(); 
_start = tmp;
_endofstorage = tmp + n;

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    如果先更新_start的话，那么就无法通过size()来得到原来的size了，从而出现 BUG。所以我们可以用oldSize来记录size的大小，那么这样就没有更新成员变量的先后顺序问题了。当_start为nullstr时，，说明 vector 对象中没有数据，不需要拷贝数据；反之则通过 memcpy 函数来拷贝数据。最后更新相关成员变量的大小。

    resize 函数接口说明

    在这里插入图片描述

    只有当n > capacity()时，才会去调整capacity的大小（采取不缩容的原则）。如果n > size()的话，就利用 while 循环插入x，这个过程_finish也刚好更新了。如果n <= size()的话，就只需要修改_finish为_start + n。

    push_back 和 pop_back

    void push_back(const T& x)
{
	if (_finish == _endofstorage)
	{
		int newCapacity = capacity() == 0 ? 4 : capacity() * 2;
		reserve(newCapacity);
	}

	*_finish = x;
	++_finish;
}

void pop_back()
{
	assert(!empty());
	--_finish;
}

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    push_back 函数接口说明

    首先需要判断是否需要扩容，当_finish == _endofstorage时，容量已满，需要扩容。扩容之后，就插入数据，更新_finish。

    pop_back 函数接口说明

    先断言 vector 类对象是否为空，如果为空，就直接报错；如果不为空，就删除数据。

    [ ] 运算符重载

    T& operator[](size_t pos)
{
	assert(pos < size());
	return _start[pos];
}

const T& operator[](size_t pos) const
{
	assert(pos < size());
	return _start[pos];
}

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    函数接口功能测试

    void vectorTest1()
{
	vector<int> v;
	v.push_back(1);
	v.push_back(2);
	v.push_back(3);
	v.push_back(4);

	for (size_t i = 0; i < v.size(); ++i)
	{
		cout << v[i] << " ";
	}
	cout << endl;

	vector<int>::iterator it = v.begin();
	while (it != v.end())
	{
		cout << *it << " ";
		++it;
	}
	cout << endl;

	for (auto e : v)
	{
		cout << e << " ";
	}
	cout << endl;

	v.pop_back();
	v.pop_back();
	v.pop_back();

	for (auto e : v)
	{
		cout << e << " ";
	}
	cout << endl;
}

void vectorTest2()
{
	vector<int> v;
	v.resize(10, -1);
	for (auto e : v)
	{
		cout << e << " ";
	}
	cout << endl;

	v.resize(5);
	for (auto e : v)
	{
		cout << e << " ";
	}
	cout << endl;
}

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    在这里插入图片描述
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    insert 和 erase

    // 迭代器失效：野指针问题
iterator insert(iterator pos, const T& x)
{
	assert(pos >= _start);
	assert(pos <= _finish);

	if (_finish == _endofstorage)
	{
		// 保存pos和_start的相对位置，避免迭代器失效问题
		size_t len = pos - _start;
		size_t newCapacity = capacity() == 0 ? 4 : capacity() * 2;
		reserve(newCapacity);

		// 扩容会导致pos迭代器失效，需要更新处理一下
		pos = _start + len;
	}

	// 挪动数据
	iterator end = _finish - 1;
	while (end >= pos)
	{
		*(end + 1) = *end;
		--end;
	}

	*pos = x;
	++_finish;

	return pos;
}

// STL规定erase返回删除位置下一个位置迭代器
iterator erase(iterator pos)
{
	assert(!empty());
	assert(pos >= _start);
	assert(pos < _finish);

	iterator begin = pos + 1;
	while (begin < _finish)
	{
		*(begin - 1) = *begin;
		++begin;
	}
	--_finish;

	return pos;
}

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    insert 函数接口说明

    注：insert 的返回值为新插入元素的位置。

    首先要判断pos位置是否合法，然后插入数据。插入数据时，需要判断容量是否已满，是否需要扩容。如果需要扩容的话，则需要将pos和_start的相对距离保存为len。如果保存它们的相对距离的话，扩容将会造成迭代器失效，从而导致野指针问题。那为什么扩容就会带来迭代器失效的问题呢？因为扩容有可能是异地扩容的，异地扩容的话，那么pos就不会在_start和_finish之间。

    在这里插入图片描述

    所以，保存了pos和_start的相对距离，就可以在扩容后更新pos的值了，从而避免迭代器失效造成野指针问题。解决这个问题后，就移动数据，插入数据，更新_finish就行了。

    在这里插入图片描述
    现在，我们就写好了 insert 函数接口。那我想问大家一个问题，在我们插入数字后，find 函数返回的迭代器是否还可以再用，也就是说是否还可以对 it 进行读写操作。不能，因为也有可能带来野指针问题。那为什么会这样呢？因为插入数据时会发生异地扩容，然后迭代器 it 就会失效。有小伙伴就会说了，我们刚才不是已经解决了这个问题了吗。其实，我们只是解决了 insert 函数内部的迭代器失效问题，并未解决外部的迭代器失效问题，也就是说 it 不在_start和_finish之间了。

    在这里插入图片描述
    通过上图就可以清楚地看到，it 已经不在_start和_finish之间。这时候，对 it 进行读写操作就是纯纯的野指针问题。

    erase 函数接口说明

    进行相关的断言，挪动数据，更新_finish。

    在这里插入图片描述

    在这里插入图片描述
    那我再想问大家一个问题，这里的迭代器 it 会不会失效呢？我们先来看一下 VS 对这一问题的判定。

    在这里插入图片描述
    可以看到，程序没有报错直接就崩掉了。所以 VS 认为这样是不行的。那么我们再去 Linux 下跑一下这段代码。

    在这里插入图片描述
    可以发现，这段代码是可以在 Linux 下跑过的。那我们再来试一下写能不能跑过。可以发现，写也没什么问题。

    在这里插入图片描述
    注：不同的编译器跑的结果一般不一样。

    那迭代器 it 究竟是失效还是不生效呢？其实，我个人认为是失效的。

    在这里插入图片描述
    如果删除最后一个位置的元素，那么 it 就是v.end()。其实如果我们将要删除的元素改成 4 后，代码在 Linux 下也能跑过。为什么呢？因为我们现在模拟实现的 vector 就是 Linux 下的 vector 源码。删除数据就只是指针减减一下，而 it 此时指向的位置不再是有效数据的位置，但是操作系统无法做到对每个位置的越界访问都进行检查，所以上面的代码可以跑过。

    那我们再来验证一下，我们自己实现的 vector 是不是也可以在 VS 下跑过。

    在这里插入图片描述
    是不是可以跑过啊！！！那为什么用 VS 下的 vector 就不能跑过呢？原因就是 VS 的 vector 源码的迭代器并不是原生指针，而是函数调用。所以，我们应该认为 it 会失效，不要对其进行读写操作。

    删除所有的偶数

    void vectorTest5()
{
	vector<int> v;
	v.push_back(1);
	v.push_back(2);
	v.push_back(2);
	v.push_back(3);
	v.push_back(4);
	v.push_back(6);
	auto it = v.begin();
	while (it != v.end())
	{
		if (*it % 2 == 0)
		{
			it = v.erase(it);
		}
		else
		{
			it++;
		}
	}

	for (auto e : v)
	{
		cout << e << " ";
	}
	cout << endl;
}

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    注：删除 it 位置后，我们需要接收一下 erase 函数的返回值，erase 函数的返回值为删除元素的下一个元素的位置。如果不接受 erase 函数的返回值，就会有可能出现各种情况。见下图：

    在这里插入图片描述

    在这里插入图片描述

    注：我们要统一认为调用 erase(it) 函数后，迭代器 it 会失效。

    front 和 back

    T& front()
{
	assert(!empty());
	return *_start;
}

const T& front() const
{
	assert(!empty());
	return *_start;
}

T& back()
{
	assert(!empty());
	return *(_finish - 1);
}

const T& back() const
{
	assert(!empty());
	return *(_finish - 1);
}

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    swap 和 clear

    void swap(vector<T>& v)
{
	std::swap(_start, v._start);
	std::swap(_finish, v._finish);
	std::swap(_endofstorage, v._endofstorage);

}

void clear
{
	_finish = _start;
}

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    注：swap 函数交换两个类对象成员变量的值就行了，clear 函数不能将 _start 置为 nullptr，否则将会造成内存泄漏问题。

    析构函数

    ~vector()
{
	delete[] _start;
	_start = _finish = _endofstorage = nullptr;
}

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    拷贝构造函数

    传统写法1

    vector(const vector<T>& v)
{
	size_t Size = v.size();
	_start = new T[Size];
	for (size_t i = 0; i < Size; ++i)
	{
		_start[i] = v._start[i];
	}
	_finish = _endofstorage = _start + Size;
}

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    注：该写法不能用 memcpy 函数来拷贝数据，因为这样会导致浅拷贝问题（将会在下面的内容讲解）。

    传统写法2

    vector(const vector<T>& v)
	: _start(nullptr)
	, _finish(nullptr)
	, _endofstorage(nullptr)
{
	reserve(v.capacity());
	//reserve(v.size());
	for (auto& e : v)
	{
		push_back(e);
	}
}

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    注：该写法使用范围 for 来尾插数据，一定要加引用。因为 e 有可能是自定义类型，不用引用的话，会存在拷贝构造。

    现代写法

    // 用迭代器来构造对象
template <class InputIterator>
vector(InputIterator first, InputIterator last)
	: _start(nullptr)
	, _finish(nullptr)
	, _endofstorage(nullptr)
{
	while (first != last)
	{
		push_back(*first);
		++first;
	}
}

vector(const vector<T>& v)
	: _start(nullptr)
	, _finish(nullptr)
	, _endofstorage(nullptr)
{
	vector<T> tmp(v.begin(), v.end());
	swap(tmp);
}

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    赋值运算符重载

    // v1 = v2
// v1 = v1 极少数情况，且能保证正确性，所以这样写没有什么问题
vector<T>& operator=(vector<T> v)
{
	swap(v);
	return *this;
}

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    用 n 个 val 来构造

    vector(size_t n, const T& val = T())
	: _start(nullptr)
	, _finish(nullptr)
	, _endofstorage(nullptr)
{
	reserve(n);
	for (size_t i = 0; i < n; ++i)
	{
		push_back(val);
	}
}

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    其实只写这个函数接口的话，会带来一个问题。我们来看一下。

    在这里插入图片描述
    我本来想要 10 个 1 来构造出来一个 vector 对象，编译器怎么给我报了个非法间接寻址的错误呢？原因是在这，因为用迭代器去构造对象的函数比上面写的用 n 个 val 构造对象的函数更匹配（int 需要类型转换成 size_t，而迭代器模板构造函数不用类型转换），编译器会调用更加匹配的函数，所以就导致了非法间接寻址。

    在这里插入图片描述
    那如果我们就是想用 n 个 val 来构造对象的函数，应该解决呢？我们可以再多写个下面的函数来形成函数重载。

    vector(int n, const T& val = T())
	: _start(nullptr)
	, _finish(nullptr)
	, _endofstorage(nullptr)
{
	reserve(n);
	for (int i = 0; i < n; ++i)
	{
		push_back(val);
	}
}

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    👉memcpy 带来的浅拷贝问题👈

    现在我们模拟实现的 vector 已经差不多完成了，那我们拿上一篇博客写的杨辉三角来验证一下我们写的 vector 对不对。

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    我们一运行起来，程序就崩溃了。为什么这样子呢？其实就是 memcpy 带来的浅拷贝问题。

    为了分析方便，我们换一个例子来说明这个问题，然后再回过头来分析杨辉三角的问题。

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    可以看到，向 vv 尾插 4 个 v，没有任何的问题。那插入 5 个 v 呢？

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    插入 5 个 v，就出现问题了。为什么呢？因为插入 5 个 v 就要扩容，而扩容就要将原来的数据拷贝到新空间里。reserve 函数里的拷贝数据是采用 memcpy 函数来拷贝数据，而 memcpy 函数是按照字节来拷贝的，是浅拷贝，而我们所想要的是深拷贝。原来问题就是出现在这里。那我们再调试起来看看。

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    那我们怎么解决这个问题呢？其实很简单，只需要修改一下 reserve 函数里的拷贝数据的形式就可以了。

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    void reserve(size_t n)
{
	if (n > capacity())
	{
		size_t oldSize = size();
		T* tmp = new T[n];

		// _start为nullptr时，不需要拷贝数据
		if (_start)
		{
			//memcpy(tmp, _start, sizeof(T) * oldSize);
			for (size_t i = 0; i < oldSize; ++i)
			{
				// 自定义类型需要深拷贝，调用其赋值运算符重载
				tmp[i] = _start[i];
			}

			delete[] _start;
		}

		_start = tmp;
		_finish = tmp + oldSize;
		_endofstorage = tmp + n;
	}
}

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    修改过后，我们的程序就可以跑起来了。那我们再来跑一下杨辉三角的程序，看能不能跑起来。

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    可以看到，杨辉三角的程序也是可以跑起来的，因为其问题也是扩容时的浅拷贝导致的。

    完整代码

    #pragma once
namespace Joy
{
	template<class T>
	class vector
	{
	public:
		typedef T* iterator;
		typedef const T* const_iterator;

		iterator begin()
		{
			return _start;
		}

		iterator end()
		{
			return _finish;
		}

		const_iterator begin() const
		{
			return _start;
		}

		const_iterator end() const
		{
			return _finish;
		}

		size_t size() const
		{
			return _finish - _start;
		}

		size_t capacity() const
		{
			return _endofstorage - _start;
		}

		vector()
			: _start(nullptr)
			, _finish(nullptr)
			, _endofstorage(nullptr)
		{}

		vector(int n, const T& val = T())
			: _start(nullptr)
			, _finish(nullptr)
			, _endofstorage(nullptr)
		{
			reserve(n);
			for (int i = 0; i < n; ++i)
			{
				push_back(val);
			}
		}

		vector(size_t n, const T& val = T())
			: _start(nullptr)
			, _finish(nullptr)
			, _endofstorage(nullptr)
		{
			reserve(n);
			for (size_t i = 0; i < n; ++i)
			{
				push_back(val);
			}
		}

		template <class InputIterator>
		vector(InputIterator first, InputIterator last)
			: _start(nullptr)
			, _finish(nullptr)
			, _endofstorage(nullptr)
		{
			while (first != last)
			{
				push_back(*first);
				++first;
			}
		}

		void swap(vector<T>& v)
		{
			std::swap(_start, v._start);
			std::swap(_finish, v._finish);
			std::swap(_endofstorage, v._endofstorage);
		}

		vector(const vector<T>& v)
			: _start(nullptr)
			, _finish(nullptr)
			, _endofstorage(nullptr)
			
		{
			vector<T> tmp(v.begin(), v.end());
			swap(tmp);
		}

		vector<T>& operator=(vector<T> v)
		{
			swap(v);
			return *this;
		}


		~vector()
		{
			delete[] _start;
			_start = _finish = _endofstorage = nullptr;
		}

		T& operator[](size_t pos)
		{
			assert(pos < size());
			return _start[pos];
		}

		const T& operator[](size_t pos) const 
		{
			assert(pos < size());
			return _start[pos];
		}

		void reserve(size_t n)
		{
			if (n > capacity())
			{
				int oldSize = size();
				T* tmp = new T[n];

				if (_start)
				{
					for (size_t i = 0; i < oldSize; ++i)
					{
						tmp[i] = _start[i];
					}
					delete[] _start;
				}

				_start = tmp;
				_finish = tmp + oldSize;
				_endofstorage = tmp + n;
			}
		}

		void resize(size_t n, const T& val = T())
		{
			if (n > capacity())
			{
				reserve(n);
			}

			if (n > size())
			{
				while (_finish < _start + n)
				{
					*_finish = val;
					++_finish;
				}
			}
			else
			{
				_finish = _start + n;
			}
		}

		void push_back(const T& val = T())
		{
			if (_finish == _endofstorage)
			{
				size_t newCapacity = capacity() == 0 ? 4 : capacity() * 2;
				reserve(newCapacity);
			}
			*_finish = val;
			++_finish;
		}

		void pop_back()
		{
			assert(!empty());
			--_finish;
		}

		bool empty() const
		{
			return _start == _finish;
		}

		iterator insert(iterator pos, const T& val)
		{
			assert(pos >= _start);
			assert(pos < _finish);

			if (_finish == _endofstorage)
			{
				size_t len = pos - _start;
				size_t newCapacity = capacity() == 0 ? 4 : capacity() * 2;
				reserve(newCapacity);
				pos = _start + len;
			}

			// Ų
			iterator end = _finish - 1;
			while (end >= pos)
			{
				*(end + 1) = *end;
				--end;
			}
			*pos = val;
			++_finish;

			return pos;
		}

		iterator erase(iterator pos)
		{
			assert(!empty());
			assert(pos >= _start);
			assert(pos < _finish);

			iterator begin = pos + 1;
			while (begin < _finish)
			{
				*(begin - 1) = *begin;
				++begin;
			}
			--_finish;

			return pos;
		}

		void clear()
		{
			_finish = _start;
		}
		

	private:
		T* _start;
		T* _finish;
		T* _endofstorage;
	};
}

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