【 C++ 】vector的模拟实现

目录

1、基本成员变量

2、默认成员函数

        构造函数

        析构函数

        拷贝构造函数

        赋值运算符重载函数

3、容器访问相关函数接口

        operator[ ]运算符重载

        迭代器

        范围for

4、vector空间增长问题

        size和capacity

        reserve扩容

        resize

        swap交换数据

5、增加的相关函数接口

        push_back尾插

        insert

6、删除的相关函数接口

        pop_back尾删

        erase

        clear清空数据

7、源码链接

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1、基本成员变量

namespace cpp
{
	template<class T>
	class vector
	{
	public:
		typedef T* iterator;
		typedef const T* const_iterator;
	private:
		iterator _start;	  //指向容器的头
		iterator _finish;	  //指向有效数据的尾
		iterator _endofstoage;//指向容器的尾
	};
}

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2、默认成员函数

构造函数

• 1、无参构造函数

只需要把每个成员变量初始化为nullptr即可。

//无参构造函数
vector()
	:_start(nullptr)
	, _finish(nullptr)
	, _endofstoage(nullptr)
{}

• 2、带参构造函数

vector的带参构造函数首先在初始化列表对基本成员变量初始化，在将迭代器区间在[first, last)的数据一个个尾插到容器当中即可：

//带参构造函数
template <class InputIterator>
vector(InputIterator first, InputIterator last)
	: _start(nullptr)
	, _finish(nullptr)
	, _endofstoage(nullptr)
{
    //将迭代器区间在[first, last)的数据一个个尾插到容器当中
	while (first != last)
	{
		push_back(*first);
		first++;
	}
}

• 3、用n个val去初始化vector

vector的构造函数还支持用n个val去初始化，只需要先调用reserve函数开辟n个大小的空间，再利用for循环把val的值依次push_back尾插进去即可。

//用n个val来构造vector
vector(size_t n, const T& val = T())
	: _start(nullptr)
	, _finish(nullptr)
	, _endofstoage(nullptr)
{
	reserve(n);
	for (size_t i = 0; i < n; i++)
	{
		push_back(val);
	}
}

这样写会出现一个问题：内存寻址错误。当我想实现下面的语句时：

cpp::vector<int> v(10, 4);

这里我调用的地方两个参数都是int，此时调用构造函数时匹配的是第二个传迭代器区间的构造函数，导致这样的原因在于编译器会优先寻找最匹配的那个函数。此构造函数的第一个参数是unsigned int类型，所以不会优先匹配此构造函数。因此我们需要再重载一个第一个参数为int类型的构造函数即可解决：

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

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析构函数

首先判断该容器_start是否为空，不为空就释放空间+置空即可。

//析构函数
~vector()
{
	if (_start)//避免释放空指针
	{
		delete[] _start;//释放容器所指向的空间
		_start = _finish = _endofstoage = nullptr;//置空
	}	
}

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拷贝构造函数

拷贝构造可以借助先前string的拷贝构造思路，利用现代方法解决，首先对基本成员变量进行初始化，接着建立一个tmp的模板将要拷贝的数据利用构造函数去传递过去，再将这个tmp模板与自己交换即可。

//拷贝构造函数
vector(const vector& v)
	:_start(nullptr)
	, _finish(nullptr)
	, _endofstoage(nullptr)
{
	vector tmp(v.begin(), v.end());//调用构造函数
	swap(tmp);
}

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赋值运算符重载函数

这里是传值传参，没有引用传参，直接利用vector调用构造函数返回的值与左值进行swap交换即可进行赋值

//赋值运算符重载
vector& operator=(vector v)//调用构造
{
	this->swap(v);//交换这两个对象
	return *this;//返回
}

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3、容器访问相关函数接口

operator[ ]运算符重载

直接返回pos位置的数据即可进行下标+[ ]的方式进行访问

//operator[]运算符重载
T& operator[](size_t pos)
{
    assert(pos < size());//检测pos的合法性
    return _start[pos];
}

为了方便const对象也可以调用[ ]运算符重载，因此还推出了一个const版本的[ ]运算符重载。

//const版本的[]运算符重载
const T& operator[](size_t pos) const
{
	assert(pos < size());//检测pos的合法性
	return _start[pos];	
}

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迭代器

vector的begin直接返回容器的_start起始位置即可，vector的end返回容器的_finish的位置。

//begin
iterator begin()
{
	return _start;//返回容器起始位置
}
//end
iterator end()
{
	return _finish;//返回有效数据下一个的地址
}

这里迭代器同样也要考虑到const对象调用的可能性，因此推出const版本的迭代器如下：

//const版本迭代器
const_iterator begin() const
{
	return _start;
}
//end
const_iterator end() const
{
	return _finish;
}

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范围for

和前面一样，范围for的底层是通过迭代器实现的，写法也很简单：

void test_vector()
{
	cpp::vector<int> v;
	v.push_back(1);
	v.push_back(2);
	v.push_back(3);
	v.push_back(4);
	v.push_back(5);
    //范围for
	for (auto e : v)
	{
		cout << e << " ";//1 2 3 4 5
	}
}

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4、vector空间增长问题

size和capacity

指针相减可以得到对应的个数，因此获取size只需_finish - _start。获取capacity只需_endofstoage - _start。

• size函数：

size_t size() const //最好加上const，普通对象和const对象均可调用
{
	return _finish - _start; //指针相减就能得到size的个数
}

• capacity函数：

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

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reserve扩容

reserve扩容和string的扩容非常相似。先开辟一块新的扩好容的空间，如果旧空间里头有数据，那么就利用for循环将容器中的数据一个一个拷贝到新空间，再释放旧空间，最后指向新空间。如果没有，直接指向新空间即可。

//reserve扩容
void reserve(size_t n)
{
	size_t sz = size();//提前算出size()的大小，方便后续更新_finish
	if (n > capacity())
	{
		T* tmp = new T[n];
		if (_start)//判断旧空间是否有数据
		{
			//不能用memcpy，因为memcpy是浅拷贝
			for (size_t i = 0; i < size(); i++)
			{
				tmp[i] = _start[i];//将容器当中的数据一个个拷贝到tmp当中
			}
			delete[] _start;//释放旧空间
		}
		_start = tmp;//指向新空间
	}
	//更新_finish和_endofstoage
	_finish = _start + sz;
	_endofstoage = _start + n;
}

• 补充1：

在扩容结束后要记得更新_finish和_endofstoage，这里的_finsh要加上原先的size()长度，要先用变量sz保存下来，否则后续扩容后会更改指针的指向由原先的_start变为tmp，若直接+ size()函数的返回值会导致结果为随机值。

• 补充2：

不能使用memcpy进行数据拷贝，因为memcpy是浅拷贝，它会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，导致后续delete时拷贝过的数据一并给delete了，具体我下篇博文详谈。

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resize

1. 如果 n 小于当前容器的size()，则内容将减少到其前 n 个元素，删除超出（并销毁）的元素。
2. 如果 n 大于当前容器 size()，则通过在末尾插入所需数量的元素以达到 n 的大小来扩展内容。若指定了 val，则新元素将初始化为 val 的副本，否则，它们将进行值初始化。
3. 如果 n 也大于当前容器容量capacity()，则会自动重新分配分配的存储空间。

//resize
//void resize(size_t n, T val = T())
void resize(size_t n, const T& val = T()) //利用T()调用默认构造函数的值进行初始化，这样写说明C++的内置类型也有自己的构造函数
{
	//如果 n > capacity()容量，就需要扩容
	if (n > capacity())
	{
		reserve(n);
	}
	//如果 n > size()，就需要把有效数据_finish到_start + n之间的数据置为缺省值val
	if (n > size())
	{
		while (_finish < _start + n)
		{
			*_finish = val;
			_finish++;
		}
	}
	//如果 n < size()，更新有效数据到_start + n
	else
	{		
    	_finish = _start + n;
	}
}

• 补充：C++的内置类型也有自己的构造函数和析构函数，这样才能更好的支持模板。

void test()
{
	int i = 0;
	int j = int();
	int k = int(1);
	cout << i << endl;//0
	cout << j << endl;//0
	cout << k << endl;//1
}

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swap交换数据

直接调用库函数的swap去进行成员变量的交换即可。

//交换函数
void swap(vector& v)
{
	std::swap(_start, v._start);
	std::swap(_finish, v._finish);
	std::swap(_endofstoage, v._endofstoage);
}

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5、增加的相关函数接口

push_back尾插

push_back尾插和之前写过的尾插大同小异，先判断是否需要扩容，把尾插的值赋过去，再更新有效数据地址_finish即可：

void push_back(const T& x)
{
	//检测是否需要扩容
	if (_finish == _endofstoage)
	{
		size_t newcapcacity = capacity() == 0 ? 4 : capacity() * 2;
		reserve(newcapcacity);
	}
	*_finish = x;
	_finish++;
}

这里push_back还可以复用下文实现好的insert进行尾插，当insert中的pos为_finish时，insert实现的就是push_back尾插。而_finish可以通过调用迭代器end函数来解决。

void push_back(const T& x)
{
	//法二：复用insert
	insert(end(), x); //当insert中的参数pos为end()时，就是尾插
}

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insert

首先要坚持插入的位置是否越界，以及是否需要扩容。接着检测是否需要扩容。再挪动数据，最后把值插入进去。

• 注意：

注意扩容以后，pos就失效了，要记得更新pos，否则会发生迭代器失效。可以通过设定变量n来计算扩容前pos指针位置和_start指针位置的相对距离，最后在扩容后，让_start再加上先前算好的相对距离n就是更新后的pos指针的位置了。其实这里还有一个迭代器失效的问题，具体是啥，后续专门推出一篇迭代器失效的文章。下面给出完善修正后的insert：

//insert
iterator insert(iterator pos, const T& x)
{
	//检测参数合法性
	assert(pos >= _start && pos <= _finish);
	//检测是否需要扩容
	/*扩容以后pos就失效了，需要更新一下*/
	if (_finish == _endofstoage)
	{
		size_t n = pos - _start;//计算pos和start的相对距离
		size_t newcapcacity = capacity() == 0 ? 4 : capacity() * 2;
		reserve(newcapcacity);
		pos = _start + n;//防止迭代器失效，要让pos始终指向与_start间距n的位置
	}
	//挪动数据
	iterator end = _finish - 1;
	while (end >= pos)
	{
		*(end + 1) = *(end);
		end--;
	}
	//把值插进去
	*pos = x;
	_finish++;
	return pos;
}

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6、删除的相关函数接口

pop_back尾删

首先判断_finish是否大于_start，若大于，直接_finsh--即可，否则啥也不需要操作。

void pop_back()
{
	if (_finish > _start)//判断是否可以进行删除
	{
		_finish--;
	}
}

pop_back也可以复用下文的erase实现，当erase的参数为_finish时，实现的就是尾删，而_finish可以通过调用迭代器end()函数来解决。

void pop_back()
{
	//法二：复用erase
	erase(end() - 1);
    //不能用end()--，因为end()是传值返回，返回的是临时对象，临时对象具有常性，不能自身++或--，因此要用end() - 1
}

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erase

首先要检查删除位置pos的合法性，其次从pos + 1的位置开始往前覆盖即可删除pos位置，最后记得返回的值为删除位置的下一个位置，其实返回的就是pos，因为在pos删除后，下一个值会覆盖到pos的位置上。

//erase
iterator erase(iterator pos)
{
	//检查合法性
	assert(pos >= _start && pos < _finish);
	//从pos + 1的位置开始往前覆盖，即可完成删除pos位置的值
	iterator it = pos + 1;
	while (it < _finish)
	{
		*(it - 1) = *it;		
        it++;
	}
	_finish--;
	return pos;
}

• 补充1：

一般vector删除数据，都不考虑缩容的方案，当size() < capacity() / 2 时，可以考虑开一个size()大小的新空间，拷贝数据，释放旧空间。缩容的本质是时间换空间。一般设计不会考虑缩容，因为实际比较关注时间效率，不是太关注空间效率，因为现在硬件设备空间都比较大，空间存储也比较便宜。

• 补充2：

1. erase也会存在失效，erase的失效是意义变了，或者不存在有效访问数据有效范围。
2. 一般不会使用缩容的方案，那么erase的失效，一般也不存在野指针的失效。

后续专门推出一篇博文讲解迭代器失效。这里先给出结论：

1. erase(pos)以后pos失效了，pos的意义变了，但是在不同平台下面对于访问pos的反应是不一样的，我们用的时候要以失效的角度去看待此问题。
2. 对于insert和erase造成迭代器失效问题，linux的g++平台检查很佛系，基本靠操作系统本身野指针越界检擦机制。windows下VS系列检擦更严格一些，使用一些强制检擦机制，意义变了可能会检擦出来。
3. 虽然g++对于迭代器失效检查时是非常佛系的，但是套在实际场景中，迭代器意义变了，也会出现各种问题。

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clear清空数据

只需要把起始位置的指针_start赋给有效数据指针_finish即可完成数据的清空。

//clear清空数据
void clear()
{
	_finish = _start;
}

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7、源码链接

源码链接直达：vector模拟实现完善版