C++：Vector的模拟实现
C++：Vector的模拟实现
小陈在拼命
发布于 2024-03-08 09:30:47
发布于 2024-03-08 09:30:47
一，前言
在学习string类的时候，我们可能会发现遍历的话下标访问特别香，比迭代器用的舒服，但是下标其实只能是支持连续的空间，他的使用是非常具有局限性的，随着STL学习的深入我们会发现其实迭代器才是大佬！！Vector虽然也支持下标访问，但是很多成员函数都是用的迭代器，所以我们要模拟实现的话迭代器十分重要，vs使用的是PJ版的STL版本，比较难懂，所以我们模拟实现统一用SGI版本去实现，所以在模拟实现之前，我们要去看看他的源码到底有哪些成员变量
SGI下的vector有三个成员变量，通过观察其他源码可以大致推断 _start是指向起始位置，_finish是指向有效数据的下一个位置（迭代器都遵循左闭右开），end_of_storage是指向有效容量的最后一个位置。
通过这个我们可以观察到SGI版本下的迭代器其实就是一个原生指针，value_type*类型相当于是模板T对应的指针类型，有了这些大致了解，我们就可以去模拟实现啦！！
二，vector的模拟实现
大致框架需要有模板（类外定义）/迭代器以及迭代器的获取（public定义，要有可读可写的也要有可读不可写的）/成员变量（private定义） 并且为了不和库的vector冲突，我们需要自己搞一个命名空间
namespace cyx
{
//模板
template<class T>
//迭代器(可读可写)
class vector
{
public：
typedef T* iterator;
iterator begin()
{
return _start;
}
iterator end()
{
return _finish;
}
//迭代器(可读不可写)
typedef const T* const_iterator;
const_iterator begin() const
{
return _start;
}
const_iterator end() const
{
return _finish;
}
private：
//成员变量
iterator _start;
iterator _finish;
iterator _end_of_storage;
}
}然后我们开始实现！！
2.1 构造函数和析构函数
2.1.1 无参构造函数
//无参构造函数
vector()
:_start(nullptr)
,_finish(nullptr)
,_end_of_storage(nullptr)
{}2.1.2 迭代器区间构造
//传别人的迭代器进行构造
template<class InputIterator>
vector(InputIterator first, InputIterator last)
:_start(nullptr)
, _finish(nullptr)
, _end_of_storage(nullptr)
{
//这里传的是别人的迭代器，不知道会传多少数据，不能提前扩容，只能让pushback的时候去判断
while (first != last)
{
push_back(*first);
++first;
}
}push_back是尾插数据，具体实现后面会写。
思考：为什么迭代器也要搞个类模板呢？
答：本质上是为了让这个函数更加灵活，可以传不同类型的迭代器来帮助我们初始化！！
比如这个地方我们传string类的迭代器
传vector类的迭代器
2.1.3 有参构造函数（对n个存储的类型去调用他们的构造）
//有参构造函数（对n个存储的类型去调用他们的构造）
vector(size_t n,const T&val=T() )
:_start(nullptr)
, _finish(nullptr)
, _end_of_storage(nullptr)
{
reserve(n);//因为我们知道会进多少数据，所以可以提前开空间
for (int i = 0; i < n; ++i)
push_back(val);
}reserve是扩容到n，具体实现后面会写。
思考：
1.缺省值T( )是什么意思
答：这个地方的缺省值不能给0！！因为vector可能会存储内置类型，也可能会存储自定义类型，比如vector<string>,所以如果我们没给值，缺省值就要给他的默认无参构造函数，这个默认构造函数可以使用匿名对象。
2.const T&val=T（） T（）不是用一次就析构吗，为什么可以用引用
答：T（）是一个用一次就析构的匿名对象，其实本质上是因为他没有名字，用T引用val可以充当他的名字，此时用val就相当于用这个匿名对象，所以匿名对象的生命周期被延长到和val一样，但是由于匿名对象是一个临时变量，所以具有常性，所以必须用const修饰的val才可以当他的别名，否则会出现权限放大！！
3.非法的间接寻址是为什么？
如下图我传（10，5），会出非法间接寻址
但是我传（10u，5）就可以正常使用了，为什么会这样？？
答：
根据上图写出一个重载的有参构造
//重载一个防止间接寻址
vector(int n, const T val = T())
:_start(nullptr)
, _finish(nullptr)
, _end_of_storage(nullptr)
{
reserve(n);//因为我们知道会进多少数据，所以可以提前开空间
for (int i = 0; i < n; ++i)
push_back(val);
}2.1.4 拷贝构造+memcpy拷贝问题+赋值重载
但是真的有这么顺利吗？？
思考：
为什么存string类就会崩了？？ 这就涉及到memcpy的拷贝问题
我们以上述问题来画图解释一下
总结：
1. memcpy是内存的二进制格式拷贝，将一段内存空间中内容原封不动的拷贝到另外一段内存空间中 2. 如果拷贝的是自定义类型的元素，memcpy既高效又不会出错，但如果拷贝的是自定义类型元素，并且自定义类型元素中涉及到资源管理时，就会出错，因为memcpy的拷贝实际是浅拷贝。 如果对象中涉及到资源管理时，千万不能使用memcpy进行对象之间的拷贝，因为memcpy是 浅拷贝，否则可能会引起内存泄漏甚至程序崩溃。
所以在这个地方我们的拷贝构造不能用memcpy
//拷贝构造（传统）
vector(const vector<T>& v)
:_start(nullptr)
,_finish(nullptr)
,_end_of_storage(nullptr)
{
_start = new T[v.capacity()];
//memcpy(_start, v._start, sizeof(T)*v.size()); 不能用memcpy 是浅拷贝
for (int i = 0; i < v.size(); ++i)
_start[i] = v._start[i];//实现重载运算符
_finish = _start + v.size();
_end_of_storage = _start + v.capacity();
}
但是真的没有问题了吗？？看看这个
但道理来说得打印出9个1 结果呢？？
原因是什么呢，我们先看看resize函数
//重载赋值=（传统）
vector<T>& operator=(const vector<T> &v)
{
T* temp = new T [v.capacity()];
for(int i=0;i<v.size();++i)
temp[i] = v[i];
delete[]_start;
_start = temp;
_finish = _start +v.size();
_end_of_storage = _start +v.capacity();
return *this;
}
2.1.5 拷贝构造和赋值重载的现代写法
先写个swap函数
//交换
void swap(vector<T>& v)
{
std::swap(_start, v._start);
std::swap(_finish, v._finish);
std::swap(_end_of_storage, v._end_of_storage);
}拷贝构造的现代写法思路：创建一个临时对象利用被拷贝对象的迭代器区间构造，然后再swap一下就可以了！
vector(const vector<T>& v)
:_start(nullptr)
, _finish(nullptr)
, _end_of_storage(nullptr)
{
vector<T> temp(v.begin(), v.end());//让临时对象借助迭代器区间构造出来
swap(temp);//窃取革命成果
}赋值重载的现代写法的思路：反正我自己的空间也不要了，被赋值对象传值过来（这样被赋值对象不会被修改），然后直接和临时对象swap就可以了！！
vector<T>& operator=(vector<T> v)
{
swap(v);//反正我原来的空间也要销毁，我跟你传值过来的v直接交换，而且不会改变你
return *this;
}2.1.6 析构函数
~vector()
{
/*if (_start)*///delete 会自动检查空指针 没必要
delete[] _start;
_start = _finish = _end_of_storage = nullptr;
}注意：delete空指针是没关系的，delete会自己判断 delete出问题一般都是野指针
2.1.7 构造函数相关的全部代码
我们发现大部分都设计要到初始化为nullptr，c11后是支持直接在成员变量那边给缺省值的，所以们可以美化一下
全部代码
//无参构造函数
vector()
{}
//有参构造函数（对n个存储的类型去调用他们的构造）
vector(size_t n, const T& val = T())
{
reserve(n);//因为我们知道会进多少数据，所以可以提前开空间
for (int i = 0; i < n; ++i)
push_back(val);
}
//重载一个防止间接寻址
vector(int n, const T val = T())
{
reserve(n);//因为我们知道会进多少数据，所以可以提前开空间
for (int i = 0; i < n; ++i)
push_back(val);
}
//传别人的迭代器区间进行构造
template<class InputIterator>
vector(InputIterator first, InputIterator last)
{
//这里传的是别人的迭代器，不知道会传多少数据，不能提前扩容，只能让pushback的时候去判断
while (first != last)
{
push_back(*first);
++first;
}
}
//拷贝构造（传统写法）
vector(const vector<T>& v)
{
_start = new T[v.capacity()];
//memcpy(_start, v._start, sizeof(T)*v.size()); 不能用memcpy 是浅拷贝
for (size_t i = 0; i < v.size(); ++i)
_start[i] = v._start[i];//实现重载运算符
_finish = _start + v.size();
_end_of_storage = _start + v.capacity();
}
//拷贝构造（现代写法）
//vector(const vector<T>& v)
//{
// vector<T> temp(v.begin(), v.end());//让临时对象借助迭代器区间构造出来
// swap(temp);//窃取革命成果
//}
//交换
void swap(vector<T>& v)
{
std::swap(_start, v._start);
std::swap(_finish, v._finish);
std::swap(_end_of_storage, v._end_of_storage);
}
重载赋值=（传统）
vector<T>& operator=(const vector<T>& v)
{
T* temp = new T[v.capacity()];
for (int i = 0; i < v.size(); ++i)
temp[i] = v[i];
delete[]_start;
_start = temp;
_finish = _start + v.size();
_end_of_storage = _start + v.capacity();
return *this;
}
//赋值重载现代写法
//vector<T>& operator=(vector<T> v)
//{
// swap(v);//反正我原来的空间也要销毁，我跟你传值过来的v直接交换，而且不会改变你
// return *this;
//}
//析构函数
~vector()
{
/*if (_start)*///delete 会自动检查空指针 没必要检查
delete[] _start;
_start = _finish = _end_of_storage = nullptr;
}2.2 常见接口
2.2.1 获取size和capacity
//获取size
size_t size() const
{
return _finish - _start;
}
//获取capacoty
size_t capacity() const
{
return _end_of_storage - _start;
}2.2.2 判空
//判空
bool empty() const
{
return _start == _finish;
}2.2.3 重载[ ]
1.可读可写[ ]
//重载[](可读可写)
T& operator[](size_t pos)
{
assert(pos < size());
return _start[pos];
}2.可读不可写[]
//重载[](可读不可写)
const T& operator[](size_t pos) const
{
assert(pos < size());
return _start[pos];
}3.三种访问方法
下标
//下标遍历
for (int i = 0; i < v1.size(); ++i)
cout << v1[i] << " ";
cout << endl;迭代器
//迭代器遍历
vector<int>::const_iterator it = v1.begin();
while (it != v1.end())
{
cout << *it << " ";
++it;
}
cout << endl;范围for
//范围for遍历
for (auto e : v1)
cout << e << " ";
cout << endl;
v1.resize(100);
cout << v1.size() << endl;
for (auto e : v1)
cout << e << " ";
cout << endl;2.2.4 提前扩容
void reserve(size_t n)
{
size_t sz = size();//防止丢失
if (n > capacity())
{
T* temp = new T[n];
if (_start)//如果为空，就不需要拷贝也不需要释放
{
for (size_t i = 0; i < sz; ++i)
temp[i] = _start[i];
delete[] _start;
}
_start = temp;
_finish = _start + sz;
_end_of_storage = _start + n;
}
}考虑到之前的memcpy拷贝问题，这里不能用memcpy了！！
还要注意的是要提前记录size（），否则原空间销毁了就找不到了。
2.2.5 提前扩容+初始化
有三种情况，第一种是给的n比原来的size小，第二种是n比size大但是比capacity小，第三种是n比capacity大，这个时候需要扩容
//提前扩容+初始化
void resize(size_t n, T val = T())
{
//给小
if (n < size())
_finish = _start + n;
//给大
else
{
//容量不够就扩
if (n > capacity())
reserve(n);
while (_finish != _start + n)
{
*_finish = val;
++_finish;
}
}
}2.2.6 尾插和尾删
void push_back(const T& val)
{
if (_finish == _end_of_storage)
reserve(capacity() == 0 ? 4 : 2 * capacity());
*_finish = val;
++_finish;
}
//尾删
void pop_back()
{
//防止没有元素可删
assert(!empty());
--_finish;
}尾插要注意扩容之前要判断一下，因为如果是0的话怎么扩都是0
我们会发现这次的指定位置插入删除不像string那样用size_t pos 而是iterator pos
2.2.7 指定位置插入
这样写有什么问题吗？？
看似好像没有什么问题，但是如果把pushback（5）去掉
为什么会这样呢？
原因就是扩容后空间变了，但是pos还是指向原来的空间！！
所以我们解决方案就是pos在扩容的时候要更新一下
iterator insert(iterator pos, const T& val)
{
assert(pos >= _start);
assert(pos <= _finish);
if (_finish == _end_of_storage)
{
size_t len = pos - _start;//记录相对距离，方便更新pos
reserve(capacity() == 0 ? 4 : 2 * capacity());
pos = _start + len;
}
iterator end = _finish - 1;
while (end >= pos)
{
*(end + 1) = *end;
--end;
}
*pos = val;
++_finish;
return pos;
}2.2.8 指定位置删除
返回值是pos的下一个位置
iterator erase(iterator pos)
{
assert(pos >= _start);
assert(pos < _finish);
iterator start = pos + 1;
while (start != _finish)
{
*(start - 1) = *start;
++start;
}
--_finish;
return pos;
}2.3 迭代器失效问题
会引起其底层空间改变的操作，都有可能使得迭代器失效。
比如：resize、reserve、insert、erase、 push_back等。
2.3.1.insert的失效
就是因为扩容导致pos失效，我们需要去及时更新pos
但是我们传的pos是值传递，所以我们更新的后pos更新，我们在后面解引用pos就会出现经典的解引用野指针问题。
那我们怎么传回pos呢？？就得用返回值！！这也是为什么insert的返回值用iterator的原因，我们想继续用的话就得去接收一下返回值，就可以了
虽然有了返回值，我们可以去接收更新后的pos，但是一旦我们使用了任意一个可能扩容的函数，都会到时pos的失效，从而有可能回引发野指针问题，这个问题是不太好避免的，所以我们认为迭代器只能用一次，因为结果不可预测！
2.3.2 erase的失效
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。
vs和g++对比
结果是未定义的！！不同编译器场景可能不同，严格来说vs更严谨
思考：
假设没有强制检查（比如我们自己写的vector），想删除删除 vector 中所有偶数
但是如果只有4个
为什么会这样呢，我们画图分析
从这边我们也能看到为什么erase返回值也要用iterator的原因，我们想继续用的话就得去接收一下返回值
2.3.3 扩容导致的失效
可能本来还能用，但是中间扩容过，所以也不能用了
用pos前用一样reserve，也会失效
总而言之：尽量不要复用pos迭代器，因为任何一个可能扩容的操作都会导致失效
2.4 比较不常用的接口
2.4.1 清理元素
void clear() const
{
_finish = _start;
}2.4.2 缩容
void shrink_to_fit()
{
size_t sz = size();//记录
T* temp = new T[sz];
for (size_t i = 0; i < sz; ++i)
temp[i] = _start[i];
delete _start;
_start = temp;
_finish = _start + sz;
_end_of_storage = _start + sz;
}2.5 反向迭代器
这里博主直接上代码，等list模拟实现的时候再放在一起分析
1、利用正向迭代器去封装反向迭代器
//反向迭代器的封装
template<class iterator, class Ref>
struct ReverseIterator
{
typedef ReverseIterator<iterator, Ref> Self;//Ref单纯是为了控制解引用的时候是否可以被写
//利用反向迭代器的类来封装正向迭代器，同时在类里面设置反向迭代器的行为
ReverseIterator(iterator it)
:_cur(it)
{}
Ref operator*()
{
iterator temp = _cur;
--temp;
return *temp;
}
Self& operator++()
{
--_cur;
return *this;
}
Self operator++(int)
{
iterator temp = _cur;
--_cur;
return temp;
}
Self& operator--()
{
++_cur;
return *this;
}
Self operator--(int)
{
iterator temp = _cur;
++_cur;
return temp;
}
Self operator+(int n)
{
iterator temp = _cur;
temp-=n;
return temp;
}
Self operator-(int n)
{
iterator temp = _cur;
temp+= n;
return temp;
}
bool operator!=(const Self& s)
{
return _cur != s._cur;
}
bool operator==(const Self& s)
{
return _cur == s._cur;
}
//成员变量
iterator _cur;
};2、rebegin和rend
//反向迭代器(可读可写)
reverse_iterator rbegin()
{
return reverse_iterator(end());
}
reverse_iterator rend()
{
return reverse_iterator(begin());
}
//反向迭代器（可读不可写）
const_reverse_iterator rbegin() const
{
return const_reverse_iterator(end());
}
const_reverse_iterator rend() const
{
return const_reverse_iterator(begin());
}三，vector实现的全部代码
using namespace std;
namespace cyx
{
//反向迭代器的封装
template<class iterator, class Ref>
struct ReverseIterator
{
typedef ReverseIterator<iterator, Ref> Self;//Ref单纯是为了控制解引用的时候是否可以被写
//利用反向迭代器的类来封装正向迭代器，同时在类里面设置反向迭代器的行为
ReverseIterator(iterator it)
:_cur(it)
{}
Ref operator*()
{
iterator temp = _cur;
--temp;
return *temp;
}
Self& operator++()
{
--_cur;
return *this;
}
Self operator++(int)
{
iterator temp = _cur;
--_cur;
return temp;
}
Self& operator--()
{
++_cur;
return *this;
}
Self operator--(int)
{
iterator temp = _cur;
++_cur;
return temp;
}
Self operator+(int n)
{
iterator temp = _cur;
temp-=n;
return temp;
}
Self operator-(int n)
{
iterator temp = _cur;
temp+= n;
return temp;
}
bool operator!=(const Self& s)
{
return _cur != s._cur;
}
bool operator==(const Self& s)
{
return _cur == s._cur;
}
//成员变量
iterator _cur;
};
template<class T>
class vector
{
public:
//正向迭代器
typedef T* iterator;
typedef const T* const_iterator;
//反向迭代器
typedef ReverseIterator<iterator, T&> reverse_iterator;
typedef ReverseIterator<iterator, const T&> const_reverse_iterator;
//正向迭代器(可读可写)
iterator begin()
{
return _start;
}
iterator end()
{
return _finish;
}
//正向迭代器（可读不可写）
iterator begin() const
{
return _start;
}
iterator end() const
{
return _finish;
}
//反向迭代器(可读可写)
reverse_iterator rbegin()
{
return reverse_iterator(end());
}
reverse_iterator rend()
{
return reverse_iterator(begin());
}
//反向迭代器（可读不可写）
const_reverse_iterator rbegin() const
{
return const_reverse_iterator(end());
}
const_reverse_iterator rend() const
{
return const_reverse_iterator(begin());
}
//无参构造函数
vector()
{}
//有参构造函数（对n个存储的类型去调用他们的构造）
vector(size_t n, const T& val = T())
{
reserve(n);//因为我们知道会进多少数据，所以可以提前开空间
for (int i = 0; i < n; ++i)
push_back(val);
}
//重载一个防止间接寻址
vector(int n, const T val = T())
{
reserve(n);//因为我们知道会进多少数据，所以可以提前开空间
for (int i = 0; i < n; ++i)
push_back(val);
}
//传别人的迭代器进行构造
template<class InputIterator>
vector(InputIterator first, InputIterator last)
{
//这里传的是别人的迭代器，不知道会传多少数据，不能提前扩容，只能让pushback的时候去判断
while (first != last)
{
push_back(*first);
++first;
}
}
//拷贝构造（传统写法）
vector(const vector<T>& v)
{
_start = new T[v.capacity()];
//memcpy(_start, v._start, sizeof(T)*v.size()); 不能用memcpy 是浅拷贝
for (size_t i = 0; i < v.size(); ++i)
_start[i] = v._start[i];//实现重载运算符 完成深拷贝
_finish = _start + v.size();
_end_of_storage = _start + v.capacity();
}
//拷贝构造（现代写法）
//vector(const vector<T>& v)
//{
// vector<T> temp(v.begin(), v.end());//让临时对象借助迭代器区间构造出来
// swap(temp);//窃取革命成果
//}
//交换
void swap(vector<T>& v)
{
std::swap(_start, v._start);
std::swap(_finish, v._finish);
std::swap(_end_of_storage, v._end_of_storage);
}
//重载赋值=（传统）
vector<T>& operator=(const vector<T>& v)
{
T* temp = new T[v.capacity()];
for (int i = 0; i < v.size(); ++i)
temp[i] = v[i];
delete[]_start;
_start = temp;
_finish = _start + v.size();
_end_of_storage = _start + v.capacity();
return *this;
}
//赋值重载现代写法
//vector<T>& operator=(vector<T> v)
//{
// swap(v);//反正我原来的空间也要销毁，我跟你传值过来的v直接交换，而且不会改变你
// return *this;
//}
//析构函数
~vector()
{
/*if (_start)*///delete 会自动检查空指针
delete[] _start;
_start = _finish = _end_of_storage = nullptr;
}
//获取size
size_t size() const
{
return _finish - _start;
}
//获取capacoty
size_t capacity() const
{
return _end_of_storage - _start;
}
//判空
bool empty() const
{
return _start == _finish;
}
//重载[](可读可写)
T& operator[](size_t pos)
{
assert(pos < size());
return _start[pos];
}
//重载[](可读不可写)
const T& operator[](size_t pos) const
{
assert(pos < size());
return _start[pos];
}
//提前扩容+初始化
void resize(size_t n, T val = T())
{
//给小
if (n < size())
_finish = _start + n;
//给大
else
{
//容量不够就扩
if (n > capacity())
reserve(n);
while (_finish != _start + n)
{
*_finish = val;
++_finish;
}
}
}
//提前扩容
void reserve(size_t n)
{
size_t sz = size();//防止丢失
if (n > capacity())
{
T* temp = new T[n];
if (_start)//如果为空，就不需要拷贝也不需要释放
{
for (size_t i = 0; i < sz; ++i)
temp[i] = _start[i];
delete[] _start;
}
_start = temp;
_finish = _start + sz;
_end_of_storage = _start + n;
}
}
//尾插
void push_back(const T& val)
{
if (_finish == _end_of_storage)
reserve(capacity() == 0 ? 4 : 2 * capacity());
*_finish = val;
++_finish;
}
//尾删
void pop_back()
{
//防止没有元素可删
assert(!empty());
--_finish;
}
//指定位置插入
iterator insert(iterator pos, const T& val)
{
assert(pos >= _start);
assert(pos <= _finish);
if (_finish == _end_of_storage)
{
size_t len = pos - _start;
reserve(capacity() == 0 ? 4 : 2 * capacity());
pos = _start + len;
}
iterator end = _finish - 1;
while (end >= pos)
{
*(end + 1) = *end;
--end;
}
*pos = val;
++_finish;
return pos;
}
//指定位置删除
iterator erase(iterator pos)
{
assert(pos >= _start);
assert(pos < _finish);
iterator start = pos + 1;
while (start != _finish)
{
*(start - 1) = *start;
++start;
}
--_finish;
return pos;
}
//清理元素
void clear() const
{
_finish = _start;
}
//缩容
void shrink_to_fit()
{
size_t sz = size();//记录
T* temp = new T[sz];
for (size_t i = 0; i < sz; ++i)
temp[i] = _start[i];
delete _start;
_start = temp;
_finish = _start + sz;
_end_of_storage = _start + sz;
}
private:
iterator _start= nullptr;
iterator _finish= nullptr;
iterator _end_of_storage= nullptr;
};有什么不懂得可以问博主哦！后面有时间再来细化接口
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