深入C++ Vector：解密vector的奥秘与底层模拟实现揭秘

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🍔前言：

我们学习了STL中的string以及其所有重要接口并进行了模拟实现，但是STL中包含的内容不止于此。学习了string之后继续学习STL中的vector，学习成本会大大降低，因为他们非现类似，现在就让我们进入vector的世界中吧！

目录

vector的介绍及使用

vector的介绍

vector的使用

 vector的定义

vector iterator 的使用

vector 空间增长问题

vector 增删查改

 ​编辑

vector的深度剖析以及模拟实现

vector类的创建以及构造函数与析构函数

 迭代器相关模拟实现

 容量相关模拟实现

元素访问相关模拟实现

vector的修改操作模拟实现

 vector 迭代器失效问题

赋值重载函数的模拟

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vector的介绍及使用

vector的介绍

1. vector是表示可变大小数组的序列容器。
2. 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。
3. 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。
4. 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。
5. 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。
6. 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。
 

vector的使用

vector学习时一定要学会查看文档：vector的文档介绍，vector在实际中非常的重要，在实际中我们熟悉常见的接口就可以，下面列出了哪些接口是要重点掌握的。

 vector的定义

这些vector定义参数全都是被typedef的内容，我们应该了解每个参数的含义： 下面演示以下如何使用构造函数与拷贝构造函数：

#define _CRT_SECURE_NO_WARNINGS
 
#include 
using namespace std;
#include 
 
 
//    vector的构造
 
int TestVector1()
{
    // constructors used in the same order as described above:
    vector<int> first;                                // empty vector of ints
    vector<int> second(4, 100);                       // four ints with value 100
    vector<int> third(second.begin(), second.end());  // iterating through second
    vector<int> fourth(third);                       // a copy of third
 
    // 下面涉及迭代器初始化的部分，我们学习完迭代器再来看这部分
    // the iterator constructor can also be used to construct from arrays:
    int myints[] = { 16,2,77,29 };
    vector<int> fifth(myints, myints + sizeof(myints) / sizeof(int));
 
    cout << "The contents of fifth are:";
    for (vector<int>::iterator it = fifth.begin(); it != fifth.end(); ++it)
        cout << ' ' << *it;
    cout << '\n';
 
    return 0;
}

这里要强调一下迭代器构造函数，我们一般看到的类型是iterator类型的，而模板这里的模板参数给予的是inputiterator，并且给与class模板：

迭代器也是分类型的，不仅仅只有string、vector迭代器，还有其他的迭代器。所以我们可以传入不同的迭代器对vector进行初始化操作。数组就是一个非常好的例子，在上述例子中我们也体现出不同迭代器对vector的初始化。 

vector iterator 的使用

 迭代器都是左闭右开的区间。

void PrintVector(const vector<int>& v)
{
	// const对象使用const迭代器进行遍历打印
	vector<int>::const_iterator it = v.begin();
	while (it != v.end())
	{
		cout << *it << " ";
		++it;
	}
	cout << endl;
}
 
void TestVector2()
{
	// 使用push_back插入4个数据
	vector<int> v;
	v.push_back(1);
	v.push_back(2);
	v.push_back(3);
	v.push_back(4);
 
	// 使用迭代器进行遍历打印
	vector<int>::iterator it = v.begin();
	while (it != v.end())
	{
		cout << *it << " ";
		++it;
	}
	cout << endl;
 
	// 使用迭代器进行修改
	it = v.begin();
	while (it != v.end())
	{
		*it *= 2;
		++it;
	}
 
	// 使用反向迭代器进行遍历再打印
	// vector::reverse_iterator rit = v.rbegin();
	auto rit = v.rbegin();
	while (rit != v.rend())
	{
		cout << *rit << " ";
		++rit;
	}
	cout << endl;
 
	PrintVector(v);
}

上述代码我们使用迭代器对vector进行了正向与反向的遍历打印，很好的说明了迭代器的使用。我们也可以使用[]重载进行遍历，但这里我们不推荐使用，因为下标访问对底层逻辑是数组的可以进行访问，但是在后面的链表、树中就不能了，我们要尽早习惯使用迭代器。

vector 空间增长问题

vector这些接口与string是一模一样，只要学会使用string的接口vector的这些接口也不再话下：

void TestVector3()
{
	vector<int> v;
 
	// set some initial content:
	for (int i = 1; i < 10; i++)
		v.push_back(i);
 
	v.resize(5);
	v.resize(8, 100);
	v.resize(12);
 
	cout << "v contains:";
	for (size_t i = 0; i < v.size(); i++)
		cout << ' ' << v[i];
	cout << '\n';
}
 
// 测试vector的默认扩容机制
// vs：按照1.5倍方式扩容
// linux：按照2倍方式扩容
void TestVectorExpand()
{
	size_t sz;
	vector<int> v;
	sz = v.capacity();
	cout << "making v grow:\n";
	for (int i = 0; i < 100; ++i) 
	{
		v.push_back(i);
		if (sz != v.capacity()) 
		{
			sz = v.capacity();
			cout << "capacity changed: " << sz << '\n';
		}
	}
}
 
// 往vecotr中插入元素时，如果大概已经知道要存放多少个元素
// 可以通过reserve方法提前将容量设置好，避免边插入边扩容效率低
void TestVectorExpandOP()
{
	vector<int> v;
	size_t sz = v.capacity();
	v.reserve(100);   // 提前将容量设置好，可以避免一遍插入一遍扩容
	cout << "making bar grow:\n";
	for (int i = 0; i < 100; ++i) 
	{
		v.push_back(i);
		if (sz != v.capacity())
		{
			sz = v.capacity();
			cout << "capacity changed: " << sz << '\n';
		}
	}
}

 vector的扩容与string的扩容机制是一样的，都是vs下是1.5倍扩容增长，Linux下是2倍增长。

vector中有一个函数接口我们可以有所了解，这个函数是用来缩容的。如果size的大小为8，而capacity的大小为80，我们可以使用shrink_to_fit函数进行缩容。但是我们不建议缩容，因为会进行空间的深拷贝以及析构。有所了解即可。

注意：reserve只负责开辟空间，如果确定知道需要用多少空间，reserve可以缓解vector增容的代价缺陷问题。resize在开空间的同时还会进行初始化，影响size。

vector 增删查改

 

 insert与erase中与string有区别，在string中支持使用下标进行访问，而在vector中只支持迭代器进行访问。

find查找函数在vector中是没有的，而包含在algorithm头文件中

这样我们每次使用find都必须包含算法头文件，但是find函数是一个模板函数，所以只要是迭代器无论是什么类型的都可以进行复用！！！

剩下的接口与string是一样的，使用起来非常简单，下面是演示代码：

// 尾插和尾删：push_back/pop_back
void TestVector4()
{
	vector<int> v;
	v.push_back(1);
	v.push_back(2);
	v.push_back(3);
	v.push_back(4);
 
	auto it = v.begin();
	while (it != v.end()) 
	{
		cout << *it << " ";
		++it;
	}
	cout << endl;
 
	v.pop_back();
	v.pop_back();
 
	it = v.begin();
	while (it != v.end()) 
	{
		cout << *it << " ";
		++it;
	}
	cout << endl;
}
 
// 任意位置插入：insert和erase，以及查找find
// 注意find不是vector自身提供的方法，是STL提供的算法
void TestVector5()
{
	// 使用列表方式初始化，C++11新语法
	vector<int> v{ 1, 2, 3, 4 };
 
	// 在指定位置前插入值为val的元素，比如：3之前插入30,如果没有则不插入
	// 1. 先使用find查找3所在位置
	// 注意：vector没有提供find方法，如果要查找只能使用STL提供的全局find
	auto pos = find(v.begin(), v.end(), 3);
	if (pos != v.end())
	{
		// 2. 在pos位置之前插入30
		v.insert(pos, 30);
	}
 
	vector<int>::iterator it = v.begin();
	while (it != v.end()) 
	{
		cout << *it << " ";
		++it;
	}
	cout << endl;
 
	pos = find(v.begin(), v.end(), 3);
	// 删除pos位置的数据
	v.erase(pos);
 
	it = v.begin();
	while (it != v.end()) {
		cout << *it << " ";
		++it;
	}
	cout << endl;
}
 
// operator[]+index 和 C++11中vector的新式for+auto的遍历
// vector使用这两种遍历方式是比较便捷的。
void TestVector6()
{
	vector<int> v{ 1, 2, 3, 4 };
 
	// 通过[]读写第0个位置。
	v[0] = 10;
	cout << v[0] << endl;
 
	// 1. 使用for+[]小标方式遍历
	for (size_t i = 0; i < v.size(); ++i)
		cout << v[i] << " ";
	cout << endl;
 
	vector<int> swapv;
	swapv.swap(v);
 
	cout << "v data:";
	for (size_t i = 0; i < v.size(); ++i)
		cout << v[i] << " ";
	cout << endl;
 
	// 2. 使用迭代器遍历
	cout << "swapv data:";
	auto it = swapv.begin();
	while (it != swapv.end())
	{
		cout << *it << " ";
		++it;
	}
 
	// 3. 使用范围for遍历
	for (auto x : v)
		cout << x << " ";
	cout << endl;
}

vector的深度剖析以及模拟实现

要实现vector我们先要从STL中了解vector的底层逻辑。

上图就是vector在STL中的源代码，其中就有许多不知名的参数在vector中的使用我们也能看到，为了更好的理解，这些都是被typedef的。接下来我们可以看到类中的参数并不是我们以前学习到的T* tmp、int size以及int capacity，而是用三个指针进行的，分别是start、finish以及end_of_storage所体现的。

这三个指针分别代表着首指针，内容尾部指针以及空间尾部指针，与size、capacity有着密切的关联，这样说还不够明显，我们接着往下看。

vector中的size与capacity函数的源代码，就是将提供私有成员进行相减得到的大小。我们就可以理解其中的start、finish、end_of_storage的指向了。 

 其实大体的结构没有改变，只是使用指针去定义vector中的各种数据。

现在我们就可以进行vector的模拟实现了。

vector类的创建以及构造函数与析构函数

#pragma once
 
#include 
using namespace std;
#include 
 
namespace why
{
	template<class T>
	class vector
	{
	public:
		// Vector的迭代器是一个原生指针
		typedef T* iterator;
		typedef const T* const_iterator;
 
		///
		// 构造和销毁
		vector()
			: _start(nullptr)
			, _finish(nullptr)
			, _endOfStorage(nullptr)
		{}
 
		vector(size_t n, const T& value = T())
			: _start(nullptr)
			, _finish(nullptr)
			, _endOfStorage(nullptr)
		{
			reserve(n);
			while (n--)
			{
				push_back(value);
			}
		}
 
		/*
		* 理论上将，提供了vector(size_t n, const T& value = T())之后
		* vector(int n, const T& value = T())就不需要提供了，但是对于：
		* vector v(10, 5);
		* 编译器在编译时，认为T已经被实例化为int，而10和5编译器会默认其为int类型
		* 就不会走vector(size_t n, const T& value = T())这个构造方法，
		* 最终选择的是：vector(InputIterator first, InputIterator last)
		* 因为编译器觉得区间构造两个参数类型一致，因此编译器就会将InputIterator实例化为int
		* 但是10和5根本不是一个区间，编译时就报错了
		* 故需要增加该构造方法
		*/
		vector(int n, const T& value = T())
			: _start(new T[n])
			, _finish(_start+n)
			, _endOfStorage(_finish)
		{
			for (int i = 0; i < n; ++i)
			{
				_start[i] = value;
			}
		}
 
		// 若使用iterator做迭代器，会导致初始化的迭代器区间[first,last)只能是vector的迭代器
		// 重新声明迭代器，迭代器区间[first,last)可以是任意容器的迭代器
		template<class InputIterator>
		vector(InputIterator first, InputIterator last)
		{
			while (first != last)
			{
				push_back(*first);
				++first;
			}
		}
        ~vector()
		{
			if (_start)
			{
				delete[] _start;
				_start = _finish = _endOfStorage = nullptr;
			}
		}
        //拷贝构造函数
        vector(const vector& v)
			: _start(nullptr)
			, _finish(nullptr)
			, _endOfStorage(nullptr)
		{
			reserve(v.capacity());
			iterator it = begin();
			const_iterator vit = v.cbegin();
			while (vit != v.cend())
			{
				*it++ = *vit++;
			}
			_finish = it;
		}
    private:
		iterator _start;		// 指向数据块的开始
		iterator _finish;		// 指向有效数据的尾
		iterator _endOfStorage;  // 指向存储容量的尾
	};
}

这是vector常见的构造函数与析构函数。

无参默认函数非常简单，而第二种构造函数是将一种类型的内容进行n个初始化，那为什么在模拟构造时要写两个此类函数构成重载吗？不是多此一举？

因为假如不写重载就会与第三个迭代器类模板冲突，因为我们传入的参数很可能是两个int类型的值，我们用户本意是将n个int类型的值进行初始化，但是两个int值会与更匹配的模板进行结合，导致非法间接寻址，所以我们必须要重载一个int型。

 迭代器相关模拟实现

iterator begin()
		{
			return _start;
		}
 
		iterator end()
		{
			return _finish;
		}
 
		const_iterator cbegin() const
		{
			return _start;
		}
 
		const_iterator cend() const
		{
			return _finish;
		}

 容量相关模拟实现

        size_t size() const 
		{ 
			return _finish - _start; 
		}
 
		size_t capacity() const 
		{ 
			return _endOfStorage - _start; 
		}
 
		bool empty() const 
		{ 
			return _start == _finish; 
		}
 
		void reserve(size_t n)
		{
			if (n > capacity())
			{
				size_t oldSize = size();
				// 1. 开辟新空间
				T* tmp = new T[n];
 
				// 2. 拷贝元素
		        // 这里直接使用memcpy会有问题吗？同学们思考下
		        //if (_start)
		        //	memcpy(tmp, _start, sizeof(T)*size);
 
				if (_start)
				{
					for (size_t i = 0; i < oldSize; ++i)
						tmp[i] = _start[i];
 
					// 3. 释放旧空间
					delete[] _start;
				}
 
				_start = tmp;
				_finish = _start + oldSize;
				_endOfStorage = _start + n;
			}
		}
 
		void resize(size_t n, const T& value = T())
		{
			// 1.如果n小于当前的size，则数据个数缩小到n
			if (n <= size())
			{
				_finish = _start + n;
				return;
			}
 
			// 2.空间不够则增容
			if (n > capacity())
				reserve(n);
 
			// 3.将size扩大到n
			iterator it = _finish;
			_finish = _start + n;
			while (it != _finish)
			{
				*it = value;
				++it;
			}
		}

 reserve函数是扩容函数，在复用的时候肯定会遇到异地扩容的情况，所以我们必须进行深拷贝处理，使用memcpy可以解决一些普通变量的拷贝比如：int、double等等。但是面对复杂的内容就无法解决，所以我们必须使用赋值进行拷贝。

假设模拟实现的vector中的reserve接口中，使用memcpy进行的拷贝，以下代码会发生什么问题？

int main()
{
    bite::vector v;
    v.push_back("1111");
    v.push_back("2222");
    v.push_back("3333");
    return 0;
}

问题分析：
1. memcpy是内存的二进制格式拷贝，将一段内存空间中内容原封不动的拷贝到另外一段内存空间中
2. 如果拷贝的是自定义类型的元素，memcpy既高效又不会出错，但如果拷贝的是自定义类型元素，并且自定义类型元素中涉及到资源管理时，就会出错，因为memcpy的拷贝实际是浅拷贝。 

结论：如果对象中涉及到资源管理时，千万不能使用memcpy进行对象之间的拷贝，因为memcpy是浅拷贝，否则可能会引起内存泄漏甚至程序崩溃。 

我们必须打好reserve的基础，这个扩容在后面的许多函数都必须要用，我们必须创建好。

resize的函数算法与string中的算法原理相同。

元素访问相关模拟实现

T& operator[](size_t pos) 
		{ 
			assert(pos < size());
			return _start[pos]; 
		}
 
		const T& operator[](size_t pos)const 
		{ 
			assert(pos < size());
			return _start[pos]; 
		}
 
		T& front()
		{
			return *_start;
		}
 
		const T& front()const
		{
			return *_start;
		}
 
		T& back()
		{
			return *(_finish - 1);
		}
 
		const T& back()const
		{
			return *(_finish - 1);
		}

在不改变内容的情况下，我们必须考虑有const的，所以必须进行函数重载。

vector的修改操作模拟实现

void push_back(const T& x) 
		{ 
			insert(end(), x); 
		}
 
		void pop_back() 
		{ 
			erase(end() - 1); 
		}
 
		void swap(vector& v)
		{
			std::swap(_start, v._start);
			std::swap(_finish, v._finish);
			std::swap(_endOfStorage, v._endOfStorage);
		}
 
		iterator insert(iterator pos, const T& x)
		{
			assert(pos <= _finish);
 
			// 空间不够先进行增容
			if (_finish == _endOfStorage)
			{
				//size_t size = size();
				size_t newCapacity = (0 == capacity()) ? 1 : capacity() * 2;
				reserve(newCapacity);
 
				// 如果发生了增容，需要重置pos
				pos = _start + size();
			}
 
			iterator end = _finish - 1;
			while (end >= pos)
			{
				*(end + 1) = *end;
				--end;
			}
 
			*pos = x;
			++_finish;
			return pos;
		}
 
		// 返回删除数据的下一个数据
		// 方便解决:一边遍历一边删除的迭代器失效问题
		iterator erase(iterator pos)
		{
			// 挪动数据进行删除
			iterator begin = pos + 1;
			while (begin != _finish) {
				*(begin - 1) = *begin;
				++begin;
			}
 
			--_finish;
			return pos;
		}

在创建insert与erase函数时，我们都会遇到一种问题，迭代器失效。

 vector 迭代器失效问题

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：
1. 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。

#include 
using namespace std;
#include 
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<
return 0;
}

指定位置元素的删除操作--erase

#include 
using namespace std;
#include 
int main()
{
int a[] = { 1, 2, 3, 4 };
vector<int> v(a, a + sizeof(a) / sizeof(int));
// 使用find查找3所在位置的iterator
vector<int>::iterator pos = find(v.begin(), v.end(), 3);
// 删除pos位置的数据，导致pos迭代器失效。
v.erase(pos);
cout << *pos << endl; // 此处会导致非法访问
return 0;
}

 erase删除pos位置元素后，pos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pos刚好是最后一个元素，删完之后pos刚好是end的位置，而end位置是没有元素的，那么pos就失效了。因此删除vector中任意位置上元素时，vs就认为该位置迭代器失效了。

Linux下，g++编译器对迭代器失效的检测并不是非常严格，处理也没有vs下极端。

迭代器失效解决办法：在使用前，对迭代器重新赋值即可。

赋值重载函数的模拟

void swap(vector& v)
		{
			std::swap(_start, v._start);
			std::swap(_finish, v._finish);
			std::swap(_endOfStorage, v._endOfStorage);
		}
vector& operator=(vector v)
		{
			swap(v);
			return *this;
		}

我们可以偷个懒，将拷贝好的内容直接进行交换即可实现赋值的作用。

以上我们将vector与vector的模拟实现全部完成。相信大家看完这篇博客可以对vector有更深的理解。

创作不易，希望大家多多支持！！！