c++STL——vector的使用和模拟实现

vector的使用和模拟实现

vector的使用

vector介绍

对于STL中各类容器的学习其实是很相似的，因为c++的封装性。虽然是不同的容器，但是c++标准库在实现的时候是对各类的容易实现了一些一样的接口，我们只需要关注其封装的接口的使用即可。所以各类容器的操作是很类似的。

而对于vector其实是一个类模板，其底层的实现本质还是顺序表。只不过与string的底层实现是略有区别。更大的不同是vector中存储的元素不仅仅是一些内置类型，也可以是类，如string，甚至是vector类。

当然学习STL容易是先学会如何使用其对应接口，我们得学会查阅文档：https://cplusplus.com/reference/vector/vector/

重点接口的讲解

迭代器部分

vector的接口其实没有string实现的那么多。因为string是更早写进标准库中的，这是历史遗留问题。

对于string，我们在增删的时候，更多的是传入对应的位置，也就是下标。而当我们查阅vector使用的文档的时候，我们发现参数竟然是使用迭代器的：

如erase函数，可以传一个迭代器的位置，也可以传迭代器指向的一段区间(左闭右开)。

其实迭代器的使用和string是一样的的，有八种。end型的迭代器都是指向最后一个有效元素的后一个位置。

使用的话重点掌握begin、rbegin、end、rend这四个就可以了。

默认成员函数

函数	使用
vector()（重点）	无参构造
vector（size_type n, const value_type& val =value_type()）	构造并初始化n个val
vector (const vector& x); （重点）	拷贝构造
vector (InputIterator first, InputIterator last);	使用迭代器进行初始化构造
~vector()	析构 编译器会自行调用
vector& operator= (const vector& x);	赋值重载

这里面有很多不认识的符号，下面给出这些符号的对应表：

我们直到，vector其实是一个类模板，内部的数据类型其实都是由模板参数T来替代的。但是为了代码的可读性更好，所以对一些常用的类型取别名。

我们只需要知道常用的那几个就可以了。

而还有一个很奇怪的构造函数：vector (InputIterator first, InputIterator last)，使用迭代器进行初始化构造。这个InputIterator是什么呢？

其实这是一个模板参数的声名，template< class InputIterator >，声名这一个模板参数是因为在构造一个vector的时候，我们很可能需要用别的迭代器进行构造。
举一个很常见的例子：

有时候我们想对链表(STL中的list)中的数据进行排序。但是链表排序其实是效率较低的。所以我们会经常的使用链表的迭代器区间来构造一个vector，vector的本质是顺序表，使用顺序表排序是比较高效率的。然后排好序后再依次将数据覆盖回链表中。

当然这个迭代器也可以是指向数组的：

在这里我们可以认为是数组也有自己的迭代器。

空间操作

函数	使用
size	获取数据个数
capacity	获取容量大小
empty	判断是否为空
resize（重点）	改变vector的size
reserve （重点）	改变vector的capacity

重点我们来看看resize和reserve的使用。

对于resize:

这是调整数据个数的函数。如果传入的n是小于当前数据个数，那么就会删除数据。
如果n大于当前数据个数，会往后续新加入的位置插入数据，空间不够的时候会扩容。

这个插入的数据是带有缺省参数的，即value_type val = value_type()；。这个其实是调用了匿名类的默认构造函数。

很多人会疑惑，如果是int等内置类型也能这样使用吗？答案是当然可以。在以往我们会认为，只有自定义类型才会有默认构造函数。但其实在c++内，对于内置类型也是可以有默认构造函数的：

如果我们进行初始化了，那么值当然就是初始化的值。但是如果我们像上面参数显示的那样去调用默认构造，我们发现不传参的时候默认值是0，传参的时候就是将参数的值给变量。这个用法和自定义类型是一样的。所以我们不用担心自定义类型会使用不了的问题。

对于reserve：
reserve函数就是预留空间，因为c++标准没有明确规定一些细节，导致不同平台对于其实现是有差异的。

vs编译器下坚决不缩容，只会扩容，且扩容大致是1.5倍。
而g++编译器是会缩容的，扩容的方式是很标准的2倍扩容。

增删查改操作

函数	说明
push_back（重点）	尾插
pop_back （重点）	尾删
find	查找（注意这个是算法模块实现，不是vector的成员接口）
insert	在position之前插入val
erase	删除position位置的数据
swap	交换两个vector的数据空间
operator[]	（重点） 像数组一样访问

只需要注意的是insert和erase的操作是要传入对应位置的迭代器。还有就是vector内并没有像string内实现find接口，我们要使用的话就得在算法库algorithm中去调用。

而其余的用法是很简单的，自行查阅文档即可。

迭代器失效问题(重要)

string中也有迭代器，但是我们并没有说迭代器失效的问题。这是因为对于string我们更偏向于用下标来访问内部数据。就连删除插入等操作也是用下标进行访问元素的。而vector却是用迭代器实现的，而在实现的时候发现了一些问题，这些问题统称为迭代器失效，下面让我们一起来看看：

在这里我们先说明一个事情：vector的正向迭代器其实就是数据类型的原生指针。

1.迭代器变为野指针，原来指向的空间被释放
这种问题通常出现在vector容量被修改的时候。我们在模拟实现string的时候就对容量进行修改的时候，是需要新开辟一个空间，然后再将原来空间进行释放。是没有像c语言中realloc一样功能的函数的。

问题就出现在这里：

当然如果要进行缩容也是一样的。所以插入和删除函数在实现的时候，就考虑到这个问题，进行了修正。使得这两个功能能够正常的使用并且达到想要的效果。

2.非法使用迭代器和非法访问元素
这个点也是需要非常注意的，下面我们举一个例子看看：

现有vector v1，指向内容是{1,2,2,3,4,4,5}

我们来看一下下面这个代码：

int main(){vector<int>:: iterator it = v1.begin();while(it != v1.end()){if(*it % 2){erase(it);*it = -1;}++it;}return 0;
}

乍一看没啥问题，但其实问题很大。

首先这个代码在不同平台下的结果是不一样的。在vs2022上是会断言报错的。而在g++编译器上能够正常运行，但是达不到想要的效果。

我们先来说g++下的情况：
运行结果为 1 -1 3 -1 5，这是为什么呢？
这是因为我们非法使用迭代器了：

当遍历到第一个2的时候，就会进行删除操作，那后续的数据会被移动到前面来，数据变成{1,2,3,4,4,5}。原来的2的位置被后面一个2顶上来了。但此时原来的空间并没有被销毁，而正向迭代器的本质是原生指针，所以指向的仍然是原来的那个位置，也就是后顶上来的2的位置，然后对此时位置进行修改，数组变成{1,-1,3,4,4,5}。然后++it会走到3的那个位置。

然后以此类推，最后变成了输出的结果。变成-1的位置就是为了告诉我们，如果使用这个代码去删除偶数项，会有被遗漏的偶数。这其实也是迭代器失效的一个方面。就是会导致访问元素出现问题。

如果在vs2022下：
编译器会直接断言报错。这是因为vs编译器做了严格的检查，如果再执行了删除和插入操作后，迭代器会失效，一般是不能访问的。所以编译器内部自动检查是否有修正迭代器的情况。如果没有就会报错。因为编译器认为这样子是非法访问。

当然对于上面那段代码，如果被删除的元素在末尾也是会出现问题，因为删除后数量减一，但是又要执行++it操作，那么it会越界。也是会触发断言报错的。

调整迭代器

这些都是迭代器失效的问题。为了 防止这种现象发生，我们就得调整迭代器的值。实际上vs编译器也是这么做的。

对于插入操作，编译器会返回新插入的元素的第一个的迭代器。插入操作可能会插入一个怨怒是，有可能插入多个元素。对此返回的是插入元素的第一个位置的迭代器。

对于删除操作，返回的是删除元素的最后一个的后一个元素的新位置的迭代器：
如1 3 5 6 7，删除3 和 5 ，变成 1 6 7，返回的就是指向6的迭代器。如果删除的最后一个元素正好是原本空间中的最后一个元素，那么返回的迭代器其实是数组结束位置。

所以要想真正的能把上面例子种数组的偶数全部删除，需要改进代码：

int main(){vector<int>:: iterator it = v1.begin();while(it != v1.end()){if(*it % 2){it = v1.erase(it);}else ++it;}return 0;
}

这样子就能在vs的编译器上跑起来了。

vector的模拟实现

当然要想更好的学会使用vector，我们也是需要了解如何对vector中的一些重要功能进行实现的。

实现的版本

c++只是规定了容器对应的功能应该完成什么样的效果，但是并没有明确要求应该如何实现。所以不同的版本实现是有一些区别的。

vs2022中的实现其实是非常复杂的，涉及到内存池等内容。由于当前还未学习内存池等相关技术，所以并不适合模仿。而我们可以查看一下g++编译器的底层是如何实现的：

这个是g++编译器下实现版本的比较早期的源代码，我们发现protected成员里面有三个迭代器，分别是start、finish、end_of_storage。

我们再翻看一下迭代器是怎么实现的：

正向迭代器其实就是value_type*这个指针，也就是数据类型的指针。所以对于vector来讲，其正向迭代器就是原生指针。

而以往我们在实现顺序表的时候，都是一个指针配合整形数据空间、容量进行管理内容。但是在vector的源代码中我们发现是通过指针管理的。

start就是指向开头数据的指针，finish其实是有效数据的后一个位置，end_of_storage指示容量，就是当前已有空间的后一个位置。

我们实现的版本主要是这个版本。

模拟实现

源码放在我的码云上了：vector imitate achievement

既然是使用指针实现的，那我们就特别需要注意指针的一些问题，特别是野指针。需要我们能够正确的操作这几个指针变量。

结构

vector是一个类模板，和string不太一样。所以我们声名的是一个类模板，需要定义模板参数。使用模板的话就尽量不要将函数的声名和定义进行分离了，因为会导致链接错误。

所以我们采取以下策略：
在MyVector这个命名空间内定义类模板，将短小多次调用的函数放在类里面进行定义。因为默认内联，方便多次调用。而代码量比较长的就放在类外进行定义。

预先处理的函数

还是一样的，有一些函数由于会被很多次的调用，所以我们需要先处理一下。

尾插函数push_back

尾插函数是非常重要的。特别是在写构造函数的时候，我们可以提前开好空间，然后将需要的数据依次插入到vector指向的空间中。

所以我们可以实现一下尾插函数：

void push_back(const T& x){if (_end_of_storage == _finish) {reserve((size() == 0) ? 4 : size() * 2);}*_finish = x;++_finish;
}

这里的reserve函数虽然还没写，但是当前符合逻辑就可以。只要能在调用方尾插函数前写完就好。

当然目前先不写的原因是会有特殊情况，这一点我们等下会说。

swap函数

这个交换函数最大的目的就是为了方便进行深拷贝，其实现也是非常简单：

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

我们直接调用标准库内的交换函数就可以了。

赋值重载

这个是非常重要的，在等一下的reserve函数中也是需要调用。

这个方法很简单的，在上一节string实现深拷贝的优化中我们就已经实现过了，所以就不再过多赘述。

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

其实就是调用拷贝构造，构造一个v，使得v就是需要赋值的数据。当然当前我们也没有实现拷贝构造。但是不要急，我们当前主要还是得厘清逻辑。保证当前接口主逻辑不会出错即可。

使用这个方法最大的有点就是不用担心自己给自己赋值。如果要自己开空间来操作赋值，就得先删掉空间，再来赋值。但是当自己给自己赋值的时候，就会导致原有数据被销毁。所以需要判断这个特殊情况。

size函数

这个没太多好说的，返回容量就好。

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

reserve函数

因为空间的浪费不会太大，所以为了效率更高，防止频繁扩容，所以我们采用vs底层一样的实现方法，reserve坚决不缩容。

template<class T>
void vector<T>::reserve(size_t n) {if (n <= size()) return; size_t old_size = size(); T* tmp = new T[n]; //复制for (int i = 0; i < old_size; ++i) { tmp[i] = _start[i]; }delete[] _start; _start = tmp; _finish = _start + old_size;  _end_of_storage = _start + n; 
}

由于代码量还是比较长的，我们放在类外面进行定义。

这里会有几个很容易出错的点：
1.管理内容的三个指针失效
此时我们不再是使用整形变量管理空间。而是使用指针。使用指针最怕的就是野指针。当我们扩容的时候，又需要将旧空间进行释放。那就会导致_finish和end_of_storage两个指针变成野指针。所以需要调整这两个指针的位置。

但是很多人这么写的：

    _start = tmp; _finish = _start + size();  _end_of_storage = _start + n; 

这样子会出问题。因为size返回的是当前_start和_finish的位置之差。但是我们发现一个事情，就是当我们先让_start指向新空间的时候，_finish会指向被释放的空间。那么这样算出来的size肯定不对。

还有就是从代入表达式的角度看，size()返回的是_start - _finish，代入表达式，
_finish = _start + _start - _finish = _finish，这根本没有改变啊。

所以我们得先记录一下_start和_finish原本的差值，也就是有效数据个数old_size，然后再以此进行调整。源码中也是这么干的：

所以我们就学习这个方法进行调整这三个管理指针。

还有一个问题就是复制，在之前模拟实现string的时候我们是使用memcpy函数进行操作的。但是再vector中万万不能。

假设我们现在声名的是一个vector< string >，如果使用的是memcpy函数，就是将里面内容一个字节一个字节拷贝过去，这个方式是浅拷贝。那一旦碰到有指向资源的数据类型如string那就糟了，那资源是没有办法复制过去的。又或者是vector，也是有指向资源。这是万万不能的。具体内容可以看类和对象章节。

所以复制部分是要调用赋值重载的。这也就是为什么我们要先写赋值重载函数，就是怕内部存储的也是vector(自己写的)，那就需要调用其赋值重载函数，那我们就得提供。

迭代器

//实现正向迭代器用的
typedef T* iterator;
typedef const T* const_iterator;//iterator
iterator begin() {return _start;
}
iterator end() {return _finish;
}
const_iterator cbegin() const { return _start;
}
const_iterator cend() const {return _finish;
}

迭代器就是原生指针，实现非常简单。

默认成员函数

默认构造

vector()
{}

我们会在定义三个管理指针的时候给定缺省参数nullptr，所以不需要存储任何东西的时候就不需要进行任何操作，所以无参构造函数这样写即可。

普通构造

vector(size_t n, const T& val = T()) {reserve(n);while (_finish != _end_of_storage){push_back(val);   ++_finish; }
}vector(int n, const T& val = T()) {reserve(n);while (_finish != _end_of_storage) {push_back(val);}
}template<class InputIterator>
vector(InputIterator first, InputIterator last) {while (first != last) {push_back(*first);++first;}
}

这里的const T& val = T()是调用默认构造函数，前面部分已经讲过了。
这里有三个函数，最后一个是迭代器区间构造。

有人看到前面两个仅仅是n参数类型不同，为什么要多次一举写多一个呢？

这是因为当我们想要这样写的时候vector(5, 4);，会导致一个问题，因为不写第二个的那个版本，5在编译器中默认为int，4也为int，那么第一个就不是那么的匹配。而传给迭代器区间的时候会更加匹配一些，所以编译器会调用迭代器区间构造的那个。所以我们需要多写一个。而使用其他类型的时候就不会有这个问题。

拷贝构造

vector(const vector<T>& v) {reserve(v.size());const_iterator it = v.cbegin();while (it != v.cend()) {push_back(*it);++it;}
}

这里没有采用以往的那个深拷贝的优化方法。因为在string实现中，我们可以把传入的string的指向字符串的指针拿去构造出一个一样的string。而我们在这里并没有实现这么一个函数，因为只有字符出啊怒这样做是比较方便。所以我们直接自己开空间进行尾插即可。

析构函数

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

析构函数比较简单，就不再赘述。

容量操作

现在来对容量的操作进行实现

容量 、判空

size_t capacity() const {return _end_of_storage - _start;
}bool empty() const {return (_start == _finish);
}

数据个数已经在预处理部分处理过了，所以只需要实现一下容量和判空即可。

resize函数

template<class T> 
void vector<T>::resize(size_t n, const T& val) {  //声名与定义分离时 定义中不能有缺省参数if (n <= size()) {_finish = _start + n; }else {if (_finish + n > _end_of_storage) { size_t old_size = size();size_t old_capacity = capacity();reserve( old_size + n > old_capacity * 2 ? (old_size + n) : old_capacity * 2);}while (_finish != _end_of_storage) { push_back(val); } }
}

根据文档的要求进行实现即可。注意是否需要删除数据以及扩容即可。

修改操作

尾删

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

需要注意是否为空，否则无法删除。

insert函数

template<class T>
typename vector<T>::iterator vector<T>::insert
(typename vector<T>::iterator pos, const T& val) { assert(pos <= _finish);assert(pos >= _start);size_t old_size = size();size_t posdiff = pos - _start;//必须写这个 要不然迭代器失效了if (_finish == _end_of_storage) {reserve((old_size == 0) ? 4 : 2 * old_size);pos = _start + posdiff;}//挪动数据typename vector<T>::iterator it = end() - 1;while (it >= pos) {*(it + 1) = *it;--it;}*pos = val;++_finish;return pos;
}

很多人会疑问，为什么要加typename这个关键字呢？这是因为我们是在类外面定义这个函数。而这个类此时还没有实例化，那要从里面取东西是需要特别注意的。对于iterator，编译器会不知道这是一个变量还是类型名称。所以加上typename就是告诉编译器这是一个类型。

注意一下之前讲过的迭代器失效的问题即可。

clear函数

这个函数只对数据进行清空，但是不进行缩容：

void clear() {_finish = _start;
}

erase函数

这个函数实现了两个版本：

template<class T>
typename vector<T>::iterator vector<T>::erase
(typename vector<T>::iterator pos) {assert(pos >= _start);assert(pos <= _finish);//不考虑缩容typename vector<T>::iterator it = pos;while (it != end()) {*it = *(it + 1);++it;}--_finish;return pos;
}template<class T>
typename vector<T>::iterator vector<T>::erase
(typename vector<T>::iterator first, typename vector<T>::iterator last) {assert(first <= last);assert(first >= _start);assert(last <= _finish);assert(!(first == end() && last == end()));vector<T>::iterator prev = first; vector<T>::iterator rear = last + 1;while (rear != end()) {*prev = *rear;++prev;++rear;}_finish = prev;return first;
}

当然insert函数也是可以实现迭代器区间插入的(我忘记了哈哈哈哈哈)，逻辑都不难，最主要的就是注意一下删除的位置是否合法(通过断言报错)，然后实现数据挪动逻辑。然后需要注意迭代器失效得问题，要通过返回值来修正。

最好是通过画图来赋值写代码，然后考虑一下一些特殊位置即可。

打印函数(针对不同容器)

template<class Container>
void Print_container(Container& con) { for (auto& x : con) { cout << x << " "; }cout << endl;  
}

通过传入容器以及范围for得使用就可以实现了，这是十分简单的。

到此所有的操作就完成了，想要更详细代码的可以进入我的码云空间获取。