[C++]——vector

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目录

一、前言

二、vector的介绍及使用

2.1 vector的介绍

2.2 vector的使用

2.2.1 vector的定义（构造函数）

2.2.2 vector迭代器的使用

 2.2.3 vector 空间增长问题

2.2.3vector增删查改

2.2.4 vector迭代器失效问题

三、vector的模拟实现

3.1成员变量与构造函数

3.2 insert与reverse

3.3 析构函数

3.4 【】的重载

3.5 insert

3.5 erase

3.6 pop_back

 3.7 resize

3.8  其他构造

3.9 赋值重载

四、全部代码

五、结语

一、前言

        今天为大家带来vector的介绍和模拟实现，文章若有不足之处，欢迎大家给出指正！

二、vector的介绍及使用

2.1 vector的介绍

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。

2.2 vector的使用

2.2.1 vector的定义（构造函数）

（construct）构造函数声明	接口说明
vector()	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)	拷贝构造
vector((InputIterator first, InputIterator last)	使用迭代器进行初始化构造

2.2.2 vector迭代器的使用

ieterator的使用	接口说明
begin+end	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

 

 

         对于正向迭代器来言，通过begin（）和end（）获得的区间是一个左闭右开的区间，也就是end（）所返回的迭代器指向的vector的最后一位有效数据的下一位

        对于反向迭代器，我们知道通过它我们能够反向的遍历vector这个容器，但是它的实现并不只是简单地将正向迭代器头尾进行交换，通过上图我们也能够发现，具体的原因和实现我们会在下面的模拟实现为大家娓娓道来。

 2.2.3 vector 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	改变vector的size
reserve	改变vector的capacity

        首先，我们要知道的是对于vector的这个容器，当我们在进行插入数据，并不需要手动扩容，因为它会自动的根据容器中_size和_capacity两者的比较来判断在插入数据前容器是否已满，如果已满就会将该容器扩容，但具体的扩容大下则是根据不同的编译环境有着不同的实现，有的是按照1.5倍_capacity来进行扩容，有的则是按照2倍_capacity来进行扩容。

        其次，除了vector自行的扩容会对vector的容量进行改变，它还提供了两个与容器大小有关的接口resize和reserve来供我们使用。对于前者，按字面意义来说就是改变vector的_size。当我们使用这个函数的时候大抵会面对三种种情况：1.输入量>容量 2.有效数据<输入量<容量 3.输入量<有效数据。

        对于第一种情况，编译器便会对当前容器进行扩容的操作。而对于第二情况，由于当前容器的capacity能够满足我们对size的需求，就会在当前有效数据后填补我们所输入的数据至size。最后一种情况的下，由于我们输入的size小于有效数据，那么我们便要减小有效数据的数量至输入的_size。

        最后呢，是reserve这一个接口。它最主要的作用就是能够帮助我们开辟空间，以减少容器的不断扩容，需要注意的一点是当我们的输入容量小于目前容量时，一般情况下，编译器并不会将多余的容量的进行释放。这是因为当我们释放空间的时候，只能释放一整块空间，而不能释放一块空间的一小部分。否则代价会极大。

        

ps：reserve负责开辟空间，而resize在开空间的同时还会进行初始化，影响size

2.2.3vector增删查改

vector增删查改	接口说明
push_back	尾插
pop_back	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[]	像数组一样访问

2.2.4 vector迭代器失效问题

迭代器的主要作用就是让算法能够不用关心底层数据结构，其底层实际就是一个指针，或者是对指针进行了 封装，比如：vector的迭代器就是原生态指针T* 。因此迭代器失效，实际就是迭代器底层对应指针所指向的空间被销毁了，而使用一块已经被释放的空间，造成的后果是程序崩溃(即如果继续使用已经失效的迭代器， 程序可能会崩溃)。 对于vector可能会导致其迭代器失效的操作有：

①会引起其底层空间改变的操作，都可能使迭代器失效，比如：resize、reserve、insert、assign、push_back等

②指定位置元素的删除操作-erase。erase删除pos位置元素后，pos位置之后的元素会往前搬移，没有导致底层空间的改变，理论上讲迭代器不应该会失效，但是：如果pos刚好是最后一个元素，删完之后pos刚好是end的位置，而end位置是没有元素的，那么pos就失效了。因此删除vector中任意位置上元素时，vs就认为该位置迭代器失效了。

注：与vector类似，string在插入+扩容操作+erase之后，迭代器也会失效

#include <iostream>
using namespace std;
#include <vector>//底层空间改变引起的迭代器失效
void text_1()
{vector<int> v(10, 5);auto it = v.begin();//将有效元素个数增加到150个，多出的位置用2来填充，操作期间底层会扩容//v.resize(150, 2);//reserve的做优就是改变扩容大小但不改变有效元素个数，操作期间可能会引起底层容量改变//v.reserve(150);//插入元素期间可能引起扩容，而导致原空间被释放//v.push_back(8);//v.insert(v.begin(), 8);//给vector重新赋值，可能会引起的层容量改变v.assign(150, 8);/*出错原因：以上操作，都有可能会导致vector扩容，也就是说vector底层原理旧空间被释放掉，而在打印时，it还使用的是释放之间的旧空间，在对it迭代器操作时，实际操作的是一块已经被释放的空间，而引起代码运行时崩溃。解决方式：在以上操作完成之后，如果想要继续通过迭代器操作vector中的元素，只需给it重新赋值即可。*/while (it != v.end()){cout << *it;++it;}cout << endl;
}//使用erase导致的迭代器失效
void text_2()
{vector<int> v = {1,2,3,4,5};auto it = find(v.begin(), v.end(), 4);v.erase(it);cout << *it << endl;}int main()
{//text_1();text_2();return 0;
}

三、vector的模拟实现

3.1成员变量与构造函数

        当我们最开始了解一个容器的时候，最先研究的就是它的成员变量与构造函数，所以当我们在模拟实现的时候，自然也是从此开始着手。

        首先是vector的成员变量，它的成员变量可是与string是不一样的，string是一个char*的指针加上size和capacity，而vector的则是由三个迭代器组成，分别是指向起始位置，有效数据的下一位，存储的最大容量。

        然后是构造函数，我们会模拟实现常见的三种构造函数，分别是无参的构造，n个值的构造以及一段迭代器区间构造。至于其中涉及的函数，会在下面具体介绍，

        代码如下：

namespace mine
{template <class T>class vector{typedef T* iterator;typedef const T* const_iterator;public:vector():_start(nullptr),_finish(nullptr),_endofstorage(nullptr){}vector(size_t n, const T& val = T()){resize(n, val);}template<class InputIterator>vector(InputIterator first, InputIterator last){while (first != last){push_back(*first);++first;}}iterator begin(){return _start;}iterator end(){return _finish;}const_iterator begin() const{return _start;}const_iterator end() const{return _finish;}private:iterator _start=nullptr;iterator _finish=nullptr;iterator _endofstorage=nullptr;};}

 

 

3.2 insert与reverse

        在能够能够成功创建出一个vector对象，接下来就是实现数据的插入了 ，我们先来实现最简单的尾插。 在进行数据的尾插之前，我们第一步要做的就是检查当前容器的容量，如果容量已满，那么我们就需要对当前的容器进行扩容，也就是reverse的操作。

        具体代码如下：

        void reserve(size_t n){if (n > capacity()){size_t sz = size();T* tmp = new T[n];size_t i = 0;while (i != size()){tmp[i] = _start[i];++i;}delete[] _start;/*		if (_start){memcpy(tmp, _start, sizeof(T)*size());delete[] _start;}*/_start = tmp;_finish = tmp + sz;_endofstorage = tmp + n;}}void push_back(const T& x){//扩容if (_finish == _endofstorage){size_t newcapacity = (_start == nullptr ? 4 : 2 * (_finish - _start));reserve(newcapacity);}//插入数据*_finish= x;++_finish;}

3.3 析构函数

        对于vector的析构函数，我们只需要将申请的空间释放，并将成员变量定义为空指针即可，具体代码如下： 

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

3.4 【】的重载

        对于vector来说，它也重载了【】操作符，我们只需对_start迭代器进行处理即可得到我们想要的数据。

        具体代码如下：

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

3.5 insert

         由于vector的存储空间是连续的，因此当我们进行数据插入的时候，尾插的效率是最高的，当然，有时我们也不可避免的会遇到头插或者在中间插入数据的情况。于是便提供了insert的这个接口。

        在本节中我们实现的是在指定位置位置插入一个有效数据，那么在实现这个成员函数的时候倘若一不小心，就会碰到我们在前面讲过的迭代器失效的问题。为什么会迭代器失效呢，因为当我们在进行数据的插入时，如果容器内的数据已满，就需要进行扩容的操作，那么扩容之后，传进来的迭代器位置就有可能并不指向容器位置，因而导致了迭代器失效。那么为了解决这个问题，当我们在扩容之后，就需要重新对传进来的迭代器进行一个重新的赋值，保证其仍指向容器的数据。为了做到这一点，我们需要的便是在进行扩容之间先记录pos迭代器的相对位置。

        具体实现如下：

        void insert(iterator pos ,const T& x){assert(pos >=_start && pos<=_endofstorage);size_t dis = pos - _start;//扩容if (_finish == _endofstorage){size_t newcapacity = (_start == nullptr ? 4 : 2 * (_finish - _start));reserve(newcapacity);//避免pos迭代器失效pos = _start + dis;}//插入数据{size_t len = _finish-pos;T* end = _finish;//挪动数据while (end >= pos){*(end + 1) = *end;--end;}//插入数据*pos = x;++_finish;}

3.5 erase

        在实现完vector的插入和尾插后，那么当我们想要删除某些数据的时候，就要用到erase这个函数了，在这面我们实现的仅仅是简单地删除指定位置的一个有效数据。

        对于erase而言，也会面临的pos迭代器失效的问题，当我们删除的是尾部最后一个数据的时候，那么面对这样的情况，我们的解决方法就是给erase函数增加一个返回值，返回值是指向删除数据的下一个数据的迭代器，那么当我们在使用这个函数的时候只要去接受这个返回值来对pos进行更新就不会出现迭代器失效的问题了。

        具体代码如下： 

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

3.6 pop_back

        在实现完erase后，尾删的话我们只需要复用这个函数即可，对尾部的迭代器进行--即可实现尾删的功能。

        具体代码如下： 

    	void pop_back(){erase(end()-1);}

 3.7 resize

        在实现完reverse之后，紧随其后的就是resize。在前面我们已经提到了，在对vector进行resize的时候我们会面临三种情况：1.输入量>容量 2.有效数据<输入量<容量 3.输入量<有效数据。

        对于第一种情况，编译器便会对当前容器进行扩容的操作。而对于第二情况，由于当前容器的capacity能够满足我们对size的需求，就会在当前有效数据后填补我们所输入的数据至size。最后一种情况的下，由于我们输入的size小于有效数据，那么我们便要减小有效数据的数量至输入的_size。

        具体实现如下：

        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;}}}

3.8  其他构造

        在前面较为基础的构造之外，接下来我们来实现vector的其他构造。

        首先是拷贝构造，一种是传统的写法，就是开好空间后，利用memcpy将另一个对象拷贝过去，另一种则是复用尾插，将数据一个个插入进去。对于前者的话会存在一个浅拷贝的问题，vector中存储的是内置类型的话，memcpy是没有问题的，但是如果是自定义类型的话就会存在一个浅拷贝的问题，这是由于memcpy是按字节进行拷贝的，为了解决这个问题，我们在进行扩容的的时候，就不能再使用memcpy的方式来拷贝数据，而是通过赋值的方式来调用自定义类型的赋值重载，这样就实现了深拷贝。

       然后是n个值来初始化vector，思路大致就是复用我们已经写好的resize就可以了

       最后就是用一段迭代器区间来初始化vector，实现起来主要就是在用一个类模板，不过在实际当我们在使用n个值来初始化vector的时候，会出现匹配的歧义，它会与迭代器的这个构造更加匹配，因此面对匹配歧义这个问题，我们可以再重载一个n个值来初始化的构造函数，只需要将前面的类型修改为int即可。

        具体代码如下：

       //传统写法vector(const vector& v){_start = new T[v.capacity()];_finish = _start + v.size();_endofstorage = _start + v.capacity();size_t n = 0;while (n != size()){*(_start + n) = *(v.begin() + n);++n;}}//复用写法vector(const vector& v){reserve(v.capacity());for (auto e : v){push_back(e);}}vector(size_t n, const T& val = T()){resize(n, val);}vector(int n, const T& val = T()){resize(n, val);}template<class InputIterator>vector(InputIterator first, InputIterator last){while (first != last){push_back(*first);++first;}}

3.9 赋值重载

        在实现vector的赋值重载我们依旧可以采取像前面string的类似方法，通过与形参交换成员变量来达到赋值拷贝的效果。

        具体代码如下： 

	    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> v){swap(v);return *this;}

四、全部代码

#pragma once
#include <assert.h>namespace mine
{template <class T>class vector{typedef T* iterator;typedef const T* const_iterator;public:vector():_start(nullptr),_finish(nullptr),_endofstorage(nullptr){}vector(size_t n, const T& val = T()){resize(n, val);}vector(int n, const T& val = T()){resize(n, val);}template<class InputIterator>vector(InputIterator first, InputIterator last){while (first != last){push_back(*first);++first;}}void reserve(size_t n){if (n > capacity()){size_t sz = size();T* tmp = new T[n];size_t i = 0;while (i != size()){tmp[i] = _start[i];++i;}delete[] _start;/*		if (_start){memcpy(tmp, _start, sizeof(T)*size());delete[] _start;}*/_start = tmp;_finish = tmp + sz;_endofstorage = tmp + n;}}void push_back(const T& x){//扩容if (_finish == _endofstorage){size_t newcapacity = (_start == nullptr ? 4 : 2 * (_finish - _start));reserve(newcapacity);}//插入数据*_finish= x;++_finish;}void insert(iterator pos ,const T& x){assert(pos >=_start && pos<=_endofstorage);size_t dis = pos - _start;//扩容if (_finish == _endofstorage){size_t newcapacity = (_start == nullptr ? 4 : 2 * (_finish - _start));reserve(newcapacity);//避免pos迭代器失效pos = _start + dis;}//插入数据{size_t len = _finish-pos;T* end = _finish;//挪动数据while (end >= pos){*(end + 1) = *end;--end;}//插入数据*pos = x;++_finish;}}iterator erase(iterator pos){assert(pos >= _start && pos < _finish);iterator tmp = pos + 1;while (tmp != _finish){*(tmp - 1) = *tmp;++tmp;}--_finish;return pos;}void pop_back(){erase(end()-1);}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;}}}//传统写法/*	vector(const vector& v){_start = new T[v.capacity()];_finish = _start + v.size();_endofstorage = _start + v.capacity();size_t n = 0;while (n != size()){*(_start + n) = *(v.begin() + n);++n;}}*///复用写法vector(const vector& 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> v){swap(v);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];}iterator begin(){return _start;}iterator end(){return _finish;}const_iterator begin() const{return _start;}const_iterator end() const{return _finish;}size_t size() const{return _finish - _start;}size_t capacity() const{return _endofstorage - _start;}~vector(){if (_start){delete[] _start;_start = _finish = _endofstorage = nullptr;}}private:iterator _start=nullptr;iterator _finish=nullptr;iterator _endofstorage=nullptr;};void print(const vector<int>& v){for (auto e : v){cout << e<<' ';}cout << endl;}
}

五、结语

         到此为止，关于vector的讲解就告一段落了，至于其他的内容，小伙伴们敬请期待呀！

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