[C++] STL_vector使用与常用接口的模拟实现

1、vector的介绍

vector文档介绍

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。

2、vector的使用

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并且会模拟实现。

2.1 vector的定义

(constructor)构造函数声明	接口说明
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

代码实现：

template<class T>class vector{public:typedef T* iterator;//typedef愿意给别人用就放在public，不想就放在privatetypedef const T* const_iterator;vector(){}vector(int n, const T& value = T()){reserve(n);for (size_t i = 0; i < n; i++){push_back(value);}}template<class InputIterator>vector(InputIterator first, InputIterator last){while (first != last){push_back(*first);++first;}   }vector(const vector<T>& v){reserve(v.capacity());for (auto& e : v){push_back(e);}}private:iterator _start = nullptr; // 指向数据块的开始iterator _finish = nullptr; // 指向有效数据的尾iterator _endOfStorage = nullptr; // 指向存储容量的尾
};

2.2 vector迭代器的使用

在 vector 中迭代器底层也是原生指针。

iterator的使用	接口说明
begin + end(重点)	获取第一个数据位置的iterator/const_iterator， 获取最后一个数据的下一个位置的iterator/const_iterator
rbegin + rend	获取最后一个数据位置的reverse_iterator，获取第一个数据前一个位置的reverse_iterator

模拟实现：

typedef T* iterator;//typedef愿意给别人用就放在public，不想就放在private
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;
}

使用：
迭代器一般使用在遍历，我们来看一下。

#include <iostream>
#include <vector>
using namespace std;int main()
{vector<int> v;//我们这里使用push_back来插入数据v.push_back(1);v.push_back(2);v.push_back(3);v.push_back(4);v.push_back(5);//迭代器方式遍历vector<int>::iterator it = v.begin();while (it != v.end()){cout << *it << " ";++it;}return 0;
}

2.3 vector的空间增长问题

容量空间	接口说明
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

reserve接口：
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。

void reserve(size_t n)//reserve只扩不缩
{if (n > capacity()){T* tmp = new T[n];size_t sz = size();//这里必须先记下sz，_finish要是直接+size()会出问题//_start指的是新空间，调用size()，size()内部会出问题//因此先记下来后面用最合适if (_start){//memcpy是浅拷贝，会出问题//memcpy(tmp, _start, sizeof(T) * sz);for (size_t i = 0; i < size(); i++){tmp[i] = _start[i];}delete[] _start;}_start = tmp;_finish = _start + sz;_endOfStorage = _start + n;}
}

resize接口：
resize在开空间的同时还会进行初始化，影响size。

void resize(size_t n, const T& value = T())//匿名对象/临时对象具有常性，需要const修饰
{if (n <= size())//缩容{_finish = _start + n;}else{reserve(n);//这里可以不用判断是否要扩容，reserve里面会判断while (_finish < _start + n){*_finish = value;++_finish;}}
}

其他几个接口比较简单，直接实现：

size_t size() const
{return _finish - _start;
}size_t capacity() const
{return _endOfStorage - _start;
}bool empty()
{return _finish - _start == 0;
}

注意：

在扩容的时候有一个区别，vs下capacity是按1.5倍增长的，g++是按2倍增长的。不要固化的认为，vector增容都是2倍，具体增长多少是根据具体的需求定义的。vs是PJ版本STL，g++是SGI版本STL。
我们来测试一下：

#include <iostream>
#include <vector>
using namespace std;int main()
{vector<int> v;size_t sz = v.capacity();for (size_t i = 0; i < 100; i++){v.push_back(i);if (sz != v.capacity()){sz = v.capacity();cout << "capacity changed：" << sz << endl;}}return 0;
}

3、vector的增删查改

vector增删查改	接口说明
push_back（重点）	尾插
pop_back（重点）	尾删
find	查找
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

3.1 push_back（重点）

我们梳理尾插的思路：
1、先判断容量是否满了，如果满了先扩容。这里注意，尾插的时候是否为空，这里使用三木操作符进行判断一下，如果为空先扩4个空间，否则2倍扩法。
2、尾插，再++_finish。

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

3.2 pop_back（重点）

在尾删的时候我们依然是先判断
这次我们需要判空，用断言assert(_finish - _start != 0)，再去尾删，让_finish–就好了，下一次尾插的时候直接覆盖。

void pop_back()
{assert(_finish-_start != 0);--_finish;//erase(end() - 1);
}

3.3 operator[]（重点）

[]的重载就是返回pos位置上数据就可以，比较简单直接秒杀。
我们这里给两个接口，一个是只读的，一个是可以修改的。

T& operator[](size_t pos)//写
{assert(pos < size());//判断位置是否合法return _start[pos];
}const T& operator[](size_t pos)const//读
{assert(pos < size());return _start[pos];
}

3.4 insert

insert是在pos位置插入一个数据。
思路：
1、先判断pos位置是否合法；
2、判满，如果满了就需要扩容，在扩容的时候需要注意迭代器失效的问题；
3、因为插入数据就存在挪动数据，因此需要先挪动数据，我们 从后往前 依次后移一个位置的数据，挪到pos位置；
4、再去给pos位置插入数据，最后返回pos位置。

iterator insert(iterator pos, const T& x)
{assert(pos >= _start);assert(pos <= _finish);if (_finish == _endOfStorage){size_t len = pos - _start;//先记下_start到pos位置的距离，因为扩容后迭代器pos就会失效reserve(capacity() == 0 ? 4 : 2 * capacity());pos = _start + len;//新的空间需要更新迭代器pos}iterator end = _finish - 1;//挪动数据while (end >= pos){*(end + 1) = *end;--end;}*pos = x;++_finish;return pos;
}

3.5 erase

erase是删除pos位置的数据。
思路：
1、判断pos位置是否合法；
2、挪动数据，从 pos位置到尾 依次向前挪动数据，直接用pos+1的数据覆盖掉pos位置的数据即可；
3、–_finish，返回pos位置即可。

iterator erase(iterator pos)
{assert(pos >= _start);assert(pos < _finish);iterator it = pos + 1;//挪动数据while (it < _endOfStorage){*(it - 1) = *it;++it;}--_finish;return pos;
}

3.6 swap

我们vector的swap直接套用库函数的swap来实现就好了。

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

*** 本篇结束 ***