【C++】vector 的模拟实现

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📢前言

在 C++ 的编程世界中，vector 是一种极为常用的数据结构。理解其内部工作原理并进行模拟实现，能让我们更深入地掌握 C++ 编程的精髓。本文将带您走进 vector 模拟实现的世界，揭示其背后的神秘面纱，助您提升编程技能。

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🏳️‍🌈一、vector 模拟实现的基础

迭代器的理解
在 vector 的模拟实现中，迭代器起着关键作用。vector 的迭代器本质上是一个原生指针，这使得对元素的访问和操作相对简单。通过指针的移动和解引用，能够方便地实现对 vector 中元素的遍历、读取和修改。但需要注意的是，对于不同的容器，迭代器的实现方式可能会有所不同。比如在链表等非连续存储的容器中，迭代器的实现就会更加复杂，需要考虑节点的连接和遍历逻辑。

私有成员变量的定义及作用
在 vector 的模拟实现中，定义了三个私有成员变量：start、finish 和 end_of_storage。start 指针指向 vector 的第一个元素，finish 指针指向最后一个有效元素的下一个位置，end_of_storage 指针指向整个存储空间的末尾。

这三个指针共同协作，管理着 vector 的存储空间和元素范围。通过对它们的操作和维护，实现了 vector 的动态增长、元素插入、删除、容量调整等功能。例如，在扩容操作中，需要根据 end_of_storage 和 finish 的关系来判断是否需要重新分配更大的空间，并更新这三个指针的值以保证 vector 的正常运作。

	private:iterator _start = nullptr;iterator _finish = nullptr;iterator _end_of_storage = nullptr;

vector的定义

🏳️‍🌈二、构造函数与析构函数

无参构造函数
无参构造函数将三个私有成员变量 start、finish 和 end_of_storage 初始化为 nullptr，实现如下：

vector() {_start = nullptr;_finish = nullptr;_end_of_storage = nullptr;
}

带参数的构造函数（包括 size_t 和 int 类型）
对于带参数的构造函数，当参数类型为 size_t 时，会先为 vector 分配指定数量的空间，并为每个元素进行初始化。代码如下：

vector(size_t n, const T& val = T()) {_start = new T[n];_finish = _start;_end_of_storage = _start + n;for (size_t i = 0; i < n; ++i) {*_finish++ = val;}
}

区间构造函数
区间构造函数接收两个迭代器 first 和 last，通过循环将区间内的元素插入到 vector 中。代码如下：

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

拷贝构造函数
拷贝构造函数用于创建一个新的 vector 对象，其内容与原对象相同。传统写法如下：

vector(const vector<T>& v) {_start = new T[v.size()];for (size_t i = 0; i < v.size(); ++i) {_start[i] = v._start[i];}_finish = _start + v.size();_end_of_storage = _start + v.capacity();
}

析构函数
析构函数用于释放 vector 所占用的资源，当 _start 不为空时，释放动态分配的内存，并将三个指针置为 nullptr。代码如下：

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

🏳️‍🌈三、元素访问与操作函数

获取迭代器的函数
begin 函数返回一个指向 vector 起始位置的迭代器，代码实现为 iterator begin() { return _start; } 。
end 函数返回一个指向 vector 结束位置（即最后一个元素的下一个位置）的迭代器，实现方式为iterator end() { return _finish; } 。
cbegin 函数返回一个常量迭代器，指向 vector 的起始位置，代码为 const_iterator cbegin() const { return _start; } 。
cend 函数返回一个常量迭代器，指向 vector 的结束位置，即 onst_iterator cend() const { return _finish; } 。

元素访问函数
operator[] 函数用于访问 vector 中的元素。

//它实现了两种版本，一种是 const 版本，用于只读访问，代码为
const T& operator[](size_t pos) const 
{ assert(pos < size()); return _start[pos]; 
}//另一种是非 const 版本，允许通过索引修改元素的值，实现为 
T& operator[](size_t pos) 
{ assert(pos < size()); return _start[pos];
} 

获取容量和大小的函数
size 函数用于获取 vector 中元素的个数，通过计算 _finish - _start 得出，
capacity 函数用于获取 vector 的容量大小，即通过计算 _end_of_storage - _start 得到，
empty 函数用于判断 vector 是否为空，通过比较 _start 和 _finish 是否相等来确定，

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

在 size_t size() const 中，const 的作用主要有以下几点：

1. 表明该函数不会修改类的成员变量：这意味着在函数内部，不能对类的非静态成员变量进行修改操作，保证了函数的只读性质。这对于保证类的封装性和数据的一致性非常重要。
2. 允许常量对象调用该函数：如果一个对象被定义为常量，即 const 类型，那么它只能调用 const 成员函数。如果 size 函数没有 const 修饰，那么常量对象就无法调用这个函数来获取元素数量。

例如，假设有一个常量的 vector 对象 const vector v; ，如果 size 函数不是 const 的，就会导致编译错误，而有了 const 修饰，就可以正常通过 v.size() 来获取元素数量。

3. 增强代码的可读性和可维护性：当看到一个函数被标记为 const 时，开发者可以立即知道这个函数不会修改对象的状态，有助于更好地理解代码的行为。

🏳️‍🌈四、数据修改函数

扩容函数（reserve）
reserve函数用于预分配vector的存储空间。
需要注意的是，reserve分配的内存未进行初始化，且访问未初始化的内存可能导致程序崩溃。
总之，在使用这些数据修改函数时，要特别注意迭代器失效的问题，及时更新迭代器以保证程序的正确性。

		void reserve(size_t n){if (n > capacity()){size_t old_size = size();T* tmp = new T[n];//memcpy(tmp, _start, size() * sizeof(T));// T不一定是内置类型，可能会造成乱码，得深拷贝for (size_t i = 0; i < old_size; i++){tmp[i] = _start[i];}delete[] _start;_start = tmp;_finish = _start + old_size;_end_of_storage = _start + n;}}

尾插函数（push_back）
push_back函数用于在vector的末尾添加元素。
当vector的剩余空间不足时，可能会进行内存的重新分配和数据的拷贝。
在一些情况下，这可能导致之前获取的迭代器失效。

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

改变数组长度函数（resize）
resize函数用于改变vector的有效长度。
如果resize后的长度小于当前长度，会删除多余的元素。
如果大于当前长度，会插入新的元素并进行初始化。
使用resize时，同样要关注迭代器的有效性。

		void resize(size_t n, T val = T()){if (n < size()){_finish = _start + n;}else{reserve(n);while (_finish < _start + n){*_finish = val;++_finish;}}}

插入函数（insert）
insert函数用于在vector的指定位置插入元素。它有多种用法：

• 可以在指定位置插入单个元素，返回指向插入元素的迭代器。
• 能在指定位置插入指定数量的相同元素。
• 还可以插入一个区间内的元素。
  在使用insert时需要注意迭代器失效的问题。当插入元素导致vector重新分配内存时，之前获取的迭代器可能会失效。解决方法是在插入操作后重新获取迭代器。

		iterator insert(iterator pos, const T& x){assert(pos >= _start);assert(pos <= _finish);if (_finish == _end_of_storage){size_t len = pos - begin();// 防止扩容后导致相对位置发生变化reserve(capacity() == 0 ? 4 : capacity() * 2);pos = begin() + len;}iterator end = _finish - 1;while (end >= pos){*(end + 1) = *end;--end;}*pos = x;++_finish;return pos;}

删除函数（erase、pop_back）
erase函数可以通过迭代器删除指定元素或指定位置的元素。
使用时要注意迭代器的正确操作，避免出现野指针导致程序错误。

pop_back函数用于删除vector的最后一个元素。
当进行删除操作时，如果导致vector内存重新分配，相关迭代器也可能失效。

		void erase(iterator pos){assert(pos >= _start);assert(pos <= _finish);iterator it = pos + 1;while (it != end()){*(it - 1) = *it;it++;}--_finish;}void pop_back() {assert(!empty());--_finish;}

🏳️‍🌈五、赋值运算符重载

在 vector 的模拟实现中，赋值运算符重载 operator= 起着重要的作用。其实现方式通常是通过复制源 vector 的元素来更新目标 vector 的内容。
常见的实现方式是创建一个临时的 vector 对象，将源 vector 的元素复制到这个临时对象中，然后通过交换操作来更新目标 vector 的状态。这样可以避免直接操作目标 vector 可能导致的内存管理问题。
赋值运算符重载的作用主要有以下几点：

1. 方便对象之间的赋值操作，使得 vector 对象可以像基本数据类型一样进行赋值，提高了代码的简洁性和可读性。
2. 支持不同 vector 对象之间的数据传递和更新，使得代码逻辑更加清晰和易于理解。
3. 确保在赋值过程中正确处理内存管理，避免内存泄漏和数据错误。

		vector<T>& operator=(const vector<T>& v){if (this != &v){clear();reverse(v.size());for (auto& e : v){push_back(e);}}return *this;}

🏳️‍🌈整体代码

#pragma once
#define _CRT_SECURE_NO_WARNINGS 1
#include<iostream>
#include<string>
#include<assert.h>
#include<list>
using namespace std;// 模板的原理是将我们要做的事交给编译器去// vector<vector<int>> vv(10, v);   // 有点像二维数组// vector<int> v(5, 1);namespace bit
{template<class T>class vector{public:typedef T* iterator;typedef const T* const_iterator;// C++11 前置生成默认构造vector() = default;// 拷贝构造//vector(const vector<T>& v)vector(const vector& v){reserve(v.size());for (auto& e : v){push_back(e);}}// 重载vector(size_t n, const T& val = T()){reserve(n);for (size_t i = 0; i < n; i++){push_back(val);}}void clear(){_finish = _start;}// v3 =v1vector<T>& operator=(const vector<T>& v){if (this != &v){clear();reverse(v.size());for (auto& e : v){push_back(e);}}return *this;}// 模板// 任意类型迭代器初始化，要求类型是匹配的template <class InputIterator>vector(InputIterator first, InputIterator last){while (first != last){push_back(*first);++first;}}~vector(){if (_start){delete[] _start;_start = _finish = _end_of_storage = nullptr;}}iterator begin(){return _start;}iterator end(){return _finish;}// 如果第二个const没有，就会导致，对于 const 对象，将无法调用这个 begin 函数。因为 const 对象只能调用 const 成员函数。const_iterator begin() const{return _start;}const_iterator end() const{return _finish;}// 扩容void reserve(size_t n){if (n > capacity()){size_t old_size = size();T* tmp = new T[n];//memcpy(tmp, _start, size() * sizeof(T));// T不一定是内置类型，可能会造成乱码，得深拷贝for (size_t i = 0; i < old_size; i++){tmp[i] = _start[i];}delete[] _start;_start = tmp;_finish = _start + old_size;_end_of_storage = _start + n;}}size_t size() const{return _finish - _start;}size_t capacity() const{return _end_of_storage - _start;}bool empty(){return (_finish == _start);}// 尾插void push_back(const T& x){if (_finish == _end_of_storage){reserve(capacity() == 0 ? 4 : capacity() * 2);}*_finish = x;++_finish;}void pop_back() {assert(!empty());--_finish;}iterator insert(iterator pos, const T& x){assert(pos >= _start);assert(pos <= _finish);if (_finish == _end_of_storage){size_t len = pos - begin();// 防止扩容后导致相对位置发生变化reserve(capacity() == 0 ? 4 : capacity() * 2);pos = begin() + len;}iterator end = _finish - 1;while (end >= pos){*(end + 1) = *end;--end;}*pos = x;++_finish;return pos;}// 删除指定位置void erase(iterator pos){assert(pos >= _start);assert(pos <= _finish);iterator it = pos + 1;while (it != end()){*(it - 1) = *it;it++;}--_finish;}void resize(size_t n, T val = T()){if (n < size()){_finish = _start + n;}else{reserve(n);while (_finish < _start + n){*_finish = val;++_finish;}}}T operator[](size_t i){assert(i < size());return _start[i];}//void swap(vector<T>& v) void swap(vector& v)// 类里面加不加<T>都行{std::swap(_start, v._start);std::swap(_finish, v._finish);std::swap(_end_of_storage, v._end_of_storage);}private:iterator  _start = nullptr;iterator  _finish = nullptr;iterator _end_of_storage = nullptr;};// 添加模板template<class T>void print_vector(const vector<T>& v){// 必须加typename// 在没有实例化的内模板（没有int等）中取东西，编译器不能区分这个const_iterator是类型还是静态成员变量（仅是初步检查）typename vector<T>::const_iterator it = v.begin();while (it != v.end()){cout << *it << "	";++it;}cout << endl;for (auto e : v){cout << e << "	";}cout << endl;}template<class Container>void print_container(const Container& v){/*auto it = v.begin();while (it != v.end()){cout << *it << " ";++it;}cout << endl;*/for (auto e : v){cout << e << " ";}cout << endl;}void test_vector1(){vector<int> v;v.push_back(1);v.push_back(2);v.push_back(3);v.push_back(4);v.push_back(4);v.push_back(5);v.insert(v.begin() + 2, 9);for (size_t i = 0; i < v.size(); i++){cout << v[i] << " ";}cout << endl;vector<int>::iterator it = v.begin();while (it != v.end()){cout << *it << " ";++it;}cout << endl;for(auto e : v){cout << e << " ";}cout << endl;cout << endl;print_vector(v);cout << endl;vector<double> vd;vd.push_back(1.1);vd.push_back(2.2);vd.push_back(3.3);vd.push_back(4.4);vd.push_back(5.5);vd.insert(vd.begin() + 2, 9);print_vector(vd);}void test_vector2(){vector<int> v;v.push_back(1);v.push_back(2);v.push_back(3);v.push_back(4);v.push_back(4);v.push_back(5);print_container(v);// 删除所有的偶数auto it = v.begin();while (it != v.end()){if (*it % 2 == 0)v.erase(it);else++it;}print_container(v);}void test_vector3(){vector<int> v1;v1.push_back(1);v1.push_back(2);v1.push_back(3);v1.push_back(4);v1.push_back(4);v1.push_back(5);v1.resize(10, 9);v1.resize(20);print_container(v1);vector<int> v2(v1);print_container(v2);vector<int> v3(v1.begin(), v1.begin() + 3);print_container(v3);vector<string> v4(10, "11111");print_container(v4);v4.push_back("22222");v4.push_back("22222");v4.push_back("22222");v4.push_back("22222");v4.push_back("22222");print_container(v4);}}

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👥总结

vector模拟实现的要点包括：

1. 迭代器的巧妙运用，通过原生指针实现简单高效的元素访问和操作。
2. 合理定义和管理私有成员变量start、finish和end_of_storage，实现对存储空间和元素范围的精确控制。
3. 构造函数涵盖了多种情况，满足不同的初始化需求。
4. 丰富的元素访问和操作函数，如insert、erase、push_back等，实现了对元素的灵活处理。
5. 准确获取容量、大小等信息，以及通过reserve、resize等函数进行空间管理。
6. 赋值运算符重载确保了对象赋值的便捷和安全。

优化方向

1. 内存管理优化：可以考虑更精细的内存分配策略，减少不必要的内存浪费和频繁的重新分配。
2. 性能提升：例如在插入和删除操作中，采用更高效的数据移动方式。
3. 异常处理完善：增强对各种异常情况的处理，提高程序的健壮性。

拓展可能性

1. 支持更多的模板参数：如增加内存分配器的选择，适应不同的场景需求。
2. 与其他数据结构的结合：例如与链表或树结构结合，形成更复杂但功能更强大的数据结构。
3. 多线程安全：使vector在多线程环境下能够安全地进行操作。
4. 自定义比较器：支持用户自定义元素的比较规则，丰富排序和查找等操作。

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本篇博文对 vector的模拟实现 做了一个较为详细的介绍，不知道对你有没有帮助呢

觉得博主写得还不错的三连支持下吧！会继续努力的~