vector模拟实现

目录

vector介绍

vector示意图 

关于vector扩容的问题

vector框架

构造函数

析构函数 

vector有关空间容量函数

insert和erase

pop_back和push_back

其它构造函数

拷贝构造

迭代器区间构造

 运算符重载

关于迭代器失效问题【重点】

有关insert发生迭代器失效

有关erase发生迭代器失效

vector模拟实现整体代码

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vector介绍

1. vector 是表示可变大小数组的序列容器，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。

2. 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。

3. 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。

4. 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示意图 

上面的图片来自于《STL源码剖析》这本书，从图中我们就可以看出vector实现的基本形式。vector类的成员变量是三个指针：指向起始位置的 _start ，指向最后一个数据的下一个位置的_finish，指向容量的下一个位置的_end_of_storage。 

关于vector扩容的问题

使用以下一段demo进行测试：

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';}}
}

在VS2022下：（大致为1.5倍）

在gcc下：（2倍）

vector框架

template<class T>
class vector
{
public:typedef T* iterator;typedef const T* const_iterator;private:iterator _start = nullptr;iterator _finish = nullptr;iterator _endofstorage = nullptr;
};

构造函数

vector():_start(nullptr), _finish(nullptr), _end_of_storage(nullptr)
{}

析构函数 

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

vector有关空间容量函数

size_t capacity() const
{return _endofstorage - _start;
}size_t size() const
{return _finish - _start;
}bool empty()const
{return size() == 0;
}void reserve(size_t n)
{if (n > capacity()){T* tmp = new T[n];size_t sz = size();if (_start){//memcpy(tmp, _start, sizeof(T) * sz);for (size_t i = 0; i < sz; i++){tmp[i] = _start[i];}delete[] _start;}_start = tmp;_finish = _start + sz;_endofstorage = _start + n;}
}void resize(size_t n, const T& val = T())
{if (n <= size()){_finish = _start + n;}else{reserve(n);while (_finish < _start + n){*_finish = val;++_finish;}}
}

需要注意的是：关于reserve函数，当数值大于当前vector的容量时，需要进行拷贝，使用memcpy进行拷贝时（浅拷贝），对于内置类型不会有问题， 但是对于自定义类型就会有问题，比如string，

会引发扩容，就会引发对旧内容进行拷贝，如果使用memcpy进行拷贝，会出问题：

问题如下：

拷贝完以后，浅拷贝回来对应指针，当旧对象释放后，新对象指向的内容就无意义了，这就是问题所在，解决办法如上面reserve函数。

insert和erase

iterator insert(iterator pos, const T& x)
{assert(pos >= _start);assert(pos <= _finish);if (_finish == _endofstorage){size_t len = pos - _start;reserve(capacity() == 0 ? 4 : capacity() * 2);pos = _start + len;}iterator end = _finish - 1;while (end >= pos){*(end + 1) = *end;--end;}*pos = x;++_finish;
}iterator erase(iterator pos)
{assert(pos >= _start);assert(pos < _finish);iterator it = pos + 1;while (it < _finish){*(it - 1) = *it;++it;}--_finish;return pos;
}

pop_back和push_back

void push_back(const T& x)
{if (_finish == _end_of_storage){reserve(capacity() == 0 ? 4 : capacity() * 2);}*_finish = x;_finish++;
}void pop_back()
{assert(_finish > _start);_finish--;
}

其它构造函数

拷贝构造

vector(int n, const T& val = T())
{reserve(n);for (int i = 0; i < n; i++){push_back(val);}
}vector(const vector<T>& v)
{reserve(v.capacity());for (auto& e : v){push_back(e);}
}

迭代器区间构造

template <class InputIterator>
vector(InputIterator first, InputIterator last)
{while (first != last){push_back(*first);++first;}
}

 运算符重载

void swap(vector<T>& v)
{std::swap(_start, v._start);std::swap(_finish, v._finish);std::swap(_endofstorage, v._endofstorage);
}vector<T>& operator=(vector<T> tmp)
{swap(tmp);return *this;
}T& operator[](size_t pos)
{assert(pos < size());return _start[pos];
}const T& operator[](size_t pos) const
{assert(pos < size());return _start[pos];
}

关于迭代器失效问题【重点】

vector是一个动态数组，它在内存中连续存储，由于vector在内存中连续存储，因此当进行某些操作时，迭代器可能会失效。

插入元素(可能会导致内存重新分配)：在vector中插入元素可能会导致整个容器重新分配内存，这种情况下，所有指向容器中元素的迭代器都会失效。

删除元素：从vector中删除元素会导致被删除元素之后的迭代器失效，这是因为删除操作可能会移动容器中其他元素以填补被删除元素的空位，然而，指向被删除元素之前的迭代器仍然有效。

重新分配：任何导致vector重新分配内存的操作都会使所有迭代器失效。

有关insert发生迭代器失效

迭代器失效原因：

insert时迭代器失效发生在insert前size=capacity，当insert时，会先扩容，但是扩容后，pos还是指向原来的空间的位置，且已经被释放，那么当再次使用pos时，就会导致程序崩溃！！！

解决办法：更新pos位置迭代器，使其指向扩容后对应的位置，并返回pos位置迭代器。

iterator insert(iterator pos, const T& x)
{assert(pos >= _start);assert(pos <= _finish);if (_finish == _endofstorage){size_t len = pos - _start;reserve(capacity() == 0 ? 4 : capacity() * 2);pos = _start + len;}iterator end = _finish - 1;while (end >= pos){*(end + 1) = *end;--end;}*pos = x;++_finish;return pos;
}

通过查阅文档也可以发现，官方的做法也是返回Insert位置的迭代器：

有关erase发生迭代器失效

erase函数错误写法：

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

演示代码：

运行结果：

出错原因：

it永远不会等于finish

解决办法：返回pos位置迭代器

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

对应示例

void test()
{vector<int> v;v.push_back(1);v.push_back(2);v.push_back(3);v.push_back(4);//删除所有偶数auto it = v.begin();while(it != v.end()){if(*it % 2 == 0){it = v.erase(*it);}else{it++;}}for(auto e : v){cout << e << " ";}
}

 通过查阅文档也可以发现，官方的做法也是返回erase位置的迭代器：

vector模拟实现整体代码

template<class T>
class vector
{
public:typedef T* iterator;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;}vector(){}template <class InputIterator>vector(InputIterator first, InputIterator last){while (first != last){push_back(*first);++first;}}vector(size_t n, const T& val = T()){reserve(n);for (size_t i = 0; i < n; i++){push_back(val);}}vector(int n, const T& val = T()){reserve(n);for (int i = 0; i < n; i++){push_back(val);}}vector(const vector<T>& v){reserve(v.capacity());for (auto& e : v){push_back(e);}}void swap(vector<T>& v){std::swap(_start, v._start);std::swap(_finish, v._finish);std::swap(_endofstorage, v._endofstorage);}vector<T>& operator=(vector<T> tmp){swap(tmp);return *this;}~vector(){delete[] _start;_start = _finish = _endofstorage = nullptr;}void reserve(size_t n){if (n > capacity()){T* tmp = new T[n];size_t sz = size();if (_start){//memcpy(tmp, _start, sizeof(T) * sz);for (size_t i = 0; i < sz; i++){tmp[i] = _start[i];}delete[] _start;}_start = tmp;_finish = _start + sz;_endofstorage = _start + n;}}void resize(size_t n, const T& val = T()){if (n <= size()){_finish = _start + n;}else{reserve(n);while (_finish < _start + n){*_finish = val;++_finish;}}}void push_back(const T& x){/*if (_finish == _endofstorage){reserve(capacity() == 0 ? 4 : capacity() * 2);}*_finish = x;++_finish;*/insert(end(), x);}iterator insert(iterator pos, const T& x){assert(pos >= _start);assert(pos <= _finish);if (_finish == _endofstorage){size_t len = pos - _start;reserve(capacity() == 0 ? 4 : capacity() * 2);pos = _start + len;}iterator end = _finish - 1;while (end >= pos){*(end + 1) = *end;--end;}*pos = x;++_finish;return pos;}iterator erase(iterator pos){assert(pos >= _start);assert(pos < _finish);iterator it = pos + 1;while (it < _finish){*(it - 1) = *it;++it;}--_finish;return pos;}T& operator[](size_t pos){assert(pos < size());return _start[pos];}const T& operator[](size_t pos) const{assert(pos < size());return _start[pos];}size_t capacity() const{return _endofstorage - _start;}size_t size() const{return _finish - _start;}private:iterator _start = nullptr;iterator _finish = nullptr;iterator _endofstorage = nullptr;
};