【C++】vector的使用及模拟实现

一、vector的介绍及使用

1.1 介绍vector

vector是一个可变大小数组的容器，与数组一样，vector也是一块连续的空间，可以像数组一样对元素进行高效的遍历访问，但是普通数组的大小是不变的，vector可以改变自身大小。vector是采用动态分配数组来存储数据，即插入新元素时要改变存储空间大小，往往要分配一个新的数组，然后把原来数组的元素转移到新的空间里。vector的尾插尾删效率高，中间插入和删除效率较低。

1.2 vector的使用

1.2.1 构造

1️⃣无参

vector()

vector<int> v;

2️⃣构造并初始化n个val

vector（size_type n, const value_type& val = value_type()）

vector<int> v(10, 7);

3️⃣拷贝构造

vector (const vector& x)

	vector<int> v1{ 1,2,3,4 };vector<int> v2(v1);

4️⃣使用迭代器进行初始化构造

vector (InputIterator first, InputIterator last)

	vector<int> v1{ 5,6,7,8};vector<int> v2(v1.begin(), v1.end());

1.2.2 遍历访问

1️⃣begin+end

	vector<int> v{ 1,2,3,4,5 };auto it = v.begin();while (it != v.end()){cout << *it << " ";++it;}cout << endl;

获取数组第一个元素的位置，像指针一样遍历整个数组，直到最后一个元素结束。auto是自动推导类型。

2️⃣下标：operator[ ]

	vector<int> v{ 1,2,3,4,5 };for (int i = 0; i < 5; i++){cout << v[i] << " ";}cout << endl;

3️⃣范围for

	vector<int> v{ 1,2,3,4,5 };for (auto e : v){cout << e << " ";}cout << endl;

1.2.3 容量空间

1️⃣获取元素个数

	vector<int> v{ 1,2,3,4,5 };cout << v.size() << endl;//5

2️⃣获取容量大小

	vector<int> v{ 1,2,3,4,5 };cout << v.capacity() << endl;//5

3️⃣判断是否为空

	vector<int> v;cout << v.empty() << endl;

4️⃣改变vector的size

void resize (size_type n, value_type val = value_type());

	vector<int> v{ 1,2,3,4,5 };for (auto e : v){cout << e << " ";}cout << endl;cout << v.size() << endl;cout << v.capacity() << endl;v.resize(10, 9);cout << endl;for (auto e : v){cout << e << " ";}cout << endl;cout << v.size() << endl;cout << v.capacity() << endl;

如果超出原来的存储空间，那么capacity也会改变

5️⃣改变vector的capacity

void reserve (size_type n);

	vector<int> v{ 1,2,3,4,5 };for (auto e : v){cout << e << " ";}cout << endl;cout << v.size() << endl;cout << v.capacity() << endl;v.reserve(10);cout << endl;for (auto e : v){cout << e << " ";}cout << endl;cout << v.size() << endl;cout << v.capacity() << endl;

1.2.4 增删查改

1️⃣尾插

	vector<int> v{ 1,2,3,4,5 };v.push_back(9);for (auto e : v){cout << e << " ";}cout << endl;

2️⃣尾删

	vector<int> v{ 1,2,3,4,5 };v.pop_back();for (auto e : v){cout << e << " ";}cout << endl;

3️⃣查找
注意查找不是vector的接口，是算法模块实现的。

template <class InputIterator, class T>
InputIterator find (InputIterator first, InputIterator last, const T& val);

	vector<int> v{ 1,2,3,4,5 };auto it = find(v.begin(), v.end(), 2);cout << *it << endl;//2

4️⃣交换

void swap (vector& x);

	vector<int> v1{ 1,2,3,4,5 };vector<int> v2{ 6,7,8,9,10 };v2.swap(v1);

5️⃣在pos位置插入

iterator insert (iterator position, const value_type& val);

	vector<int> v{ 1,2,3,4,5 };auto pos = find(v.begin(), v.end(), 2);v.insert(pos, 10);for (auto e : v){cout << e << " ";}cout << endl;

6️⃣在pos位置删除

iterator erase (iterator position);//指定位置删除
iterator erase (iterator first, iterator last);//指定范围删除

有两种写法：

//	一：vector<int> v{ 1,2,3,4,5 };auto pos = find(v.begin(), v.end(), 2);v.erase(pos);for (auto e : v){cout << e << " ";}cout << endl;

//    二：vector<int> v{ 1,2,3,4,5 };v.erase(v.begin() + 1, v.end() - 1);for (auto e : v){cout << e << " ";}cout << endl;

注意：insert 和 erase 一般只使用一次，重复使用可能导致迭代器失效。

二、vector的模拟实现

2.1 成员变量

vector的迭代器是一个原生指针，它的三个成员变量分别是：

	typedef T* iterator;typedef const T* const_iterator;//————————iterator _start = nullptr;iterator _finish = nullptr;iterator _endofstorage = nullptr;

这里在声明时先给成员变量缺省值为空指针，声明时给缺省值是给初始化列表的，后续写的时候就比较方便。

2.2 迭代器相关函数

begin函数返回空间的起始位置，end函数返回空间的最后一个有效元素的下一位。

	// 通过迭代器访问元素时可修改iterator begin(){return _start;}iterator end(){return _finish;}// 通过迭代器访问元素时不可修改const_iterator begin() const {return _start;}const_iterator end() const{return _finish;}

2.3 构造-析构-赋值重载

2.3.1 无参构造

没有传参数

	vector(){}

2.3.2 有参构造1

代码：

template<class InputIterator>
vector(InputIterator first, InputIterator last)
{reserve(last - first);//复用扩容函数while (first != last)//判断条件{push_back(*first);//复用尾插函数++first;//尾插一次后加1}
}

这个函数看起来有些奇怪，为啥还要套一层模板呢？使用这里就不说了，其实这个构造函数的作用是：只要传进来的是迭代器就可以初始化该迭代器的内容，前提是该迭代器是指向连续物理空间的指针。比如用vector定义了一个v1，v1已经是构造好的，有具体的元素；再定义一个v2，我想让v2的内容跟v1是一样的，就可以使用这个函数，传的迭代器指向的是v1的头和尾，它就会构造出和v1一样的内容。前面的使用方法有代码。不仅可以vector传vector，还可以list传vector，只要是迭代器即可。

2.3.3 有参构造2

vector(size_t n, const T& x = T())
{resize(n, x);//复用修改元素个数函数
}
vector(int n, const T& x = T())
{resize(n, x);//复用修改元素个数函数
}

该构造函数是初始化为n大小的空间，每个元素是x。可以直接复用resize函数，下面会介绍。这里写了两个构造函数唯一的区别是size_t 和int ，因为如果只有size_t 类型的那个构造函数，构造时不会调用该函数，会调用前面的构造函数（有参构造1），这与函数模板的匹配调用原则有关。假如传进来的n不是size_t 类型，那么它就要发生隐式类型转换，但是编译器想，隐式类型转换感觉麻烦，就使用有模板的那个函数。

为了防止出现以上情况，同时是模拟实现，要尽可能像标准库里面的vector，所以多重载了一个函数，它的参数n是int 类型的，这样的话传进来的参数n是int 类型，那么它就会直接调用这个构造函数，避免了以上情况。

2.3.4 拷贝构造

拷贝构造要注意深浅拷贝问题
1️⃣写法1

vector(const vector<T>& v)
{_start = new T[v.capacity()];//开一样大的空间memcpy(_start, v._start, sizeof(T) * v.size());//拷贝数据_finish = _start + v.size();_endofstorage = _start + v.capacity();
}

与string的拷贝构造类似，开一块新空间，拷贝数据后，指向这个新空间，这样防止两个指针指向同一块空间。

写法1还要注意memcpy的深浅拷贝问题，与元素的类型有关，这个在后面会具体介绍，现在假设统一使用的元素类型先是 int 类型。

1️⃣写法2

vector(const vector<T>& v)
{reserve(v.capacity());//复用扩容函数for (const auto& e : v)//范围for循环直接放入数据即可{push_back(e);//复用尾插函数}
}

先开与参数v一样大的空间，然后使用范围for直接放入数据，只要参数v里面有元素，都可以把元素一个一个的尾插到要构造的空间里面，同时也不影响v，最终完成拷贝构造。

2.3.5 赋值重载

1️⃣写法1

vector<T>& operator=(const vector<T>& v)
{if (this != &v)//相同就不用赋值{T* tmp = new T[v.capacity()];//临时空间memcpy(tmp, v._start, sizeof(T) * v.size());//拷贝数据delete[] _start;//清理旧空间_start = tmp;//指向新空间_finish = _start + v.size();//_endofstorage = _start + v.capacity();}return *this;
}

1️⃣写法2
与string的是一样的，直接代码：

vector<T>& operator=(vector<T> v)
{swap(v);//复用交换函数return *this;
}

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

2.3.6 析构

如果空间里有元素才清理，让3个指针置空；没有元素本来就是空指针不能清理。

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

2.4 容量操作

2.4.1 size和capacity

根据三个指针的指向，可以确定有效元素个数和容量的区间

//返回个数
size_t size() const
{return _finish - _start;
}
//返回容量
size_t capacity() const
{return _endofstorage - _start;
}

2.4.2 reserve

如果存储的元素超出原来的空间大小要扩容，扩容要开辟一块新空间，然后拷贝数据到新空间里，再让指针重新指向这块新空间。
代码：

//扩容
void reserve(size_t n)
{if (n > capacity())//满了要扩容{size_t old = size();//记录当前元素个数T* tmp = new T[n];//新空间if(_start){//memcpy(tmp, _start, sizeof(T) * old);//将数据拷贝到新空间-浅拷贝for (size_t i = 0; i < old; i++){tmp[i] = _start[i];//深拷贝}delete[] _start;//释放就空间}_start = tmp;//指向新空间_finish = _start + old;//防止迭代器失效_endofstorage = _start + n;}
}

问题1：为什么要定义变量old

开空间拷贝数据后，旧空间被释放，指向新空间，_finish等于_start 加上元素个数，注意，如果没有old前面先记录元素个数的值，加上的是调用size函数返回的元素个数，那么就会出现迭代器失效问题。因为_start已经指向新的空间，而_finish还是指向旧空间的某个位置，那个不同空间相减就出问题了。

所以这里提前用变量old记录好元素的个数，_finsih等于_start+old，就不会出现以上情况。

问题2：memcpy是浅拷贝

元素类型是int 等内置类型没关系，如果是自定义类型，比如string，这里就会出现浅拷贝的问题。

深拷贝的做法是以赋值的形式逐个把旧空间的字符串给新空间：

2.4.3 resize

该函数可通过参数n修改元素个数，超出容量也会扩容。主要分为以下3点：

1.n小于等于元素个数
2.n大于元素个数且小于等于容量
3.n大于容量

代码：

void resize(size_t n, const T& x = T())
{if (n <= size()){_finish = _start + n;//修改_finish指向即可}else//n>size(){size_t len = n - size();//n与元素个数的差值if (n > capacity())//n大于容量要扩容{reserve(n);//复用扩容函数}while (len--)//插入len个x，只要n大于size()都要插入{*_finish = x;++_finish;}}
}

2.5 插入与删除

2.5.1 尾插

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

尾插数据，_finish 指向同_endofstorage说明空间内数据已满，要扩容。然后插入在_finish指向的位置插入数据，_finish往后移。

2.5.2 尾删

void pop_back()
{assert(size() > 0);//有元素才能删--_finish;
}

2.5.3 pos位置插入

首先断言pos的位置是否合理，然后凡是插入数据，都要检查是否需要扩容。接着挪动数据，在pos位置插入新的元素。

iterator insert(iterator pos, const T& x)
{assert(pos >= _start && pos <= _finish);//检查pos位置是否合理size_t len = pos - _start;//记录pos与开始位置差值if (_finish == _endofstorage)//满了要扩容{size_t newcapacity = capacity() == 0 ? 4 : 2 * capacity();reserve(newcapacity);pos = _start + len;//防止迭代器失效}iterator end = _finish - 1;while (end >= pos)//挪动数据{*(end + 1) = *end;--end;}*pos = x;//插入新数据++_finish;return pos;
}

这里唯一要注意的是如果有发生扩容，pos的位置要进行更新。

2.5.3 pos位置删除

判断pos位置是否合理，然后挪动数据往前覆盖一个元素。

iterator erase(iterator pos)
{assert(pos >= _start && pos < _finish);iterator begin = pos + 1;while (begin < _finish){*(begin - 1) = *begin;++begin;}--_finish;return pos;
}

2.6 遍历访问

遍历访问有两种实现方式，一种是迭代器，前面已经写过了，另一种是方括号重载运算符，即我们常见的下标。

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

2.7 全部代码

2.7.1 vector.h

#include <iostream>
#include <assert.h>
using namespace std;namespace yss
{template <class T>class vector{public:typedef T* iterator;typedef const T* const_iterator;//迭代器iterator begin(){return _start;}iterator end(){return _finish;}const_iterator begin() const{return _start;}const_iterator end() const{return _finish;}//构造1vector(){}//构造2vector(size_t n, const T& x = T()){resize(n, x);}vector(int n, const T& x = T()){resize(n, x);}//构造3template<class InputIterator>vector(InputIterator first, InputIterator last){reserve(last - first);while (first != last){push_back(*first);++first;}}//拷贝构造//写法1//vector(const vector<T>& v)//{//	_start = new T[v.capacity()];//开一样大的空间//	memcpy(_start, v._start, sizeof(T) * v.size());//拷贝数据//	_finish = _start + v.size();////	_endofstorage = _start + v.capacity();//}//写法2vector(const vector<T>& v){reserve(v.capacity());for (const auto& e : v){push_back(e);}}//赋值重载//写法1//vector<T>& operator=(const vector<T>& v)//{//	if (this != &v)//	{//		T* tmp = new T[v.capacity()];//临时空间//		memcpy(tmp, v._start, sizeof(T) * v.size());//拷贝数据//		delete[] _start;//		_start = tmp;//		_finish = _start + v.size();////		_endofstorage = _start + v.capacity();//	}//	return *this;//}//写法2vector<T>& operator=(vector<T> v){swap(v);return *this;}//析构~vector(){if (_start){delete[] _start;_start = _finish = _endofstorage = nullptr;//}}//返回个数size_t size() const{return _finish - _start;}//返回容量size_t capacity() const{return _endofstorage - _start;}//交换void swap(vector<T>& v){std::swap(_start, v._start);std::swap(_finish, v._finish);std::swap(_endofstorage, v._endofstorage);}//扩容void reserve(size_t n){if (n > capacity())//满了要扩容{size_t old = size();//记录当前元素个数T* tmp = new T[n];//新空间if(_start){//memcpy(tmp, _start, sizeof(T) * old);//将数据拷贝到新空间-浅拷贝for (size_t i = 0; i < old; i++){tmp[i] = _start[i];//深拷贝}delete[] _start;//释放就空间}_start = tmp;//指向新空间_finish = _start + old;//防止迭代器失效_endofstorage = _start + n;}}//改变元素个数void resize(size_t n, const T& x = T()){if (n <= size()){_finish = _start + n;}else{size_t len = n - size();if (n > capacity()){reserve(n);}while (len--){*_finish = x;++_finish;}}}//尾插void push_back(const T& x){if (_finish == _endofstorage){size_t newcapacity = capacity() == 0 ? 4 : 2 * capacity();reserve(newcapacity);}*_finish = x;++_finish;}//尾删void pop_back(){assert(size() > 0);--_finish;}//pos位置插入iterator insert(iterator pos, const T& x){assert(pos >= _start && pos <= _finish);size_t len = pos - _start;//记录pos与开始位置差值if (_finish == _endofstorage){size_t newcapacity = capacity() == 0 ? 4 : 2 * capacity();reserve(newcapacity);pos = _start + len;//防止迭代器失效}iterator end = _finish - 1;while (end >= pos){*(end + 1) = *end;--end;}*pos = x;++_finish;return pos;}//pos位置删除iterator erase(iterator pos){assert(pos >= _start && pos < _finish);iterator begin = pos + 1;while (begin < _finish){*(begin - 1) = *begin;++begin;}--_finish;return pos;}//下标T& operator[](size_t pos){assert(pos < size());return _start[pos];}const T& operator[](size_t pos) const{assert(pos < size());return _start[pos];}private:iterator _start = nullptr;iterator _finish = nullptr;iterator _endofstorage = nullptr;};
}

2.7.2 test.cpp

#include"vector.h"int main()
{/*yss::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;*//*yss::vector<int> v(10);for (auto e : v){cout << e << " ";}cout << endl;*//*yss::vector<int> v1(5, 99);yss::vector<int> v2(v1.begin(), v1.end());for (auto e : v2){cout << e << " ";}cout << endl;*//*yss::vector<int> v1(5, 55);yss::vector<int> v2(v1);for (auto e : v2){cout << e << " ";}cout << endl;*//*yss::vector<int> v1(7, 44);yss::vector<int> v2 = v1;for (auto e : v2){cout << e << " ";}cout << endl;*//*yss::vector<int> v;v.push_back(1);v.push_back(2);v.push_back(3);v.push_back(4);v.push_back(5);auto pos = find(v.begin(), v.end(), 2);v.insert(pos, 99);for (auto e : v){cout << e << " ";}*//*yss::vector<int> v;v.push_back(1);v.push_back(22);v.push_back(43);v.push_back(64);v.push_back(85);for (size_t i = 0; i < v.size(); i++){cout << v[i] << " ";}cout << endl;*/return 0;
}