【C++】vector模拟实现、迭代器失效问题（超详解）

羚羊角

发布于 2024-11-15 08:25:07

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代码可运行

vector会使用之后我们来模拟实现一下，通过对vector的模拟实现，我们来说一下迭代器失效问题。

1.准备工作

在头文件vector.h里声明和实现函数，然后在test.cpp里测试代码的正确性。

在vector.h中用命名空间分隔一下，因为c++库里面也有vector，避免冲突。vector.h里面写一些会用到的头文件，vector的成员变量类型都是T*，为了和vector源码保持一致，我们也把T*换个名字，换成iterator，然后定义成员变量。

namespace lyj
{
	template<class T> 
	class vector
	{
	public:
		typedef T* iterator;

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

2.size、capacity、reserve

全都在vector.h的vector类里面声明和实现，目前不做声明和定义分离。

size_t size() const
{
	return _finish - _start;
}

size_t capacity() const
{
	return _end_of_storage - _start;
}

void reserve(size_t n)
{
	if (n > capacity()) //n大于capacity扩容
	{
		T* t = new T[n];//开辟新空间
		memcpy(t, _start, size * sizeof(T));//拷贝旧空间的数据到新空间
		delet[] _start; //释放旧空间
		_start = t; //指向新空间
		_finish = _start + size();//更新数据
		_end_of_storage = _start + n;//更新数据
	}
	//其他不变
}

3.operator[]、push_back、pop_back、empty

全都在vector.h的vector类里面声明和实现，目前不做声明和定义分离。

//普通版本
T& operator[](size_t i)
{
	assert(i < size());
	return _start[i];
}
//const版本
const T& operator[](size_t i) const
{
	assert(i < size());
	return _start[i];
}

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

//判空
bool empty() const
{
	return _start == _finish;
}

//尾删
void pop_back()
{
	assert(!empty());
	--_finish;
}

在test.cpp中对前面的所有代码进行测试。

#include "vector.h"
namespace lyj
{
	void test1()
	{
		vector<int> v;
		v.push_back(1);
		v.push_back(2);
		v.push_back(3);
		v.push_back(4);
		v.push_back(5);
		for (size_t i = 0; i < v.size(); i++)
		{
			cout << v[i] << " ";
		}
		cout << endl;
	}
}

int main()
{
	lyj::test1();
	return 0;
}

运行发现程序崩溃了。

因为我们前面的reserve逻辑有问题。

所以_finish 不是我们想要的值。

解决方法1：先更新_finish。

void reserve(size_t n)
{
	if (n > capacity()) //n大于capacity扩容
	{
		T* t = new T[n];//开辟新空间
		memcpy(t, _start, size() * sizeof(T));//拷贝旧空间的数据到新空间
		delete[] _start; //释放旧空间

		_finish = t + size();//先更新_finish的数据
		_start = t; //再指向新空间
		_end_of_storage = _start + n;//更新数据
	}
	//其他不变
}

解决方法2：用old_size存值。

void reserve(size_t n)
{
	if (n > capacity()) //n大于capacity扩容
	{
		size_t old_size = size();//存值
		T* t = new T[n];//开辟新空间
		memcpy(t, _start, size() * sizeof(T));//拷贝旧空间的数据到新空间
		delete[] _start; //释放旧空间

		_start = t; //指向新空间
		_finish = t + old_size;//用old_size更新数据
		_end_of_storage = _start + n;//更新数据
	}
	//其他不变
}

再运行代码，就可以通过了。

4.迭代器和范围for

4.1 普通正向迭代器

全都在vector.h的vector类里面声明和实现，目前不做声明和定义分离。

iterator begin()
{
	return _start;
}

iterator end()
{
	return _finish;
}

在test.cpp中进行测试。

void test1()
{
	vector<int> v;
	v.push_back(1);
	v.push_back(2);
	v.push_back(3);
	v.push_back(4);
	v.push_back(5);
	
	vector<int>::iterator it = v.begin();
	while (it != v.end())
	{
		cout << *it << " ";
		it++;
	}
}

4.2 普通范围for

支持迭代器就支持了范围for。

for (auto e : v)
{
	cout << e << " ";
}
cout << endl;

4.3 const迭代器

const迭代器就要用const的iterator，所以我们typedef一个const_iterator，原类型是const T*。

typedef const T* const_iterator;

const迭代器的实现就是把普通正向迭代器返回值类型换一下。

const_iterator begin() const
{
	return _start;
}

const_iterator end() const
{
	return _finish;
}

当迭代器换成const迭代器后，范围for也要是const的。

在test.cpp中进行测试。

void test1()
{
	vector<int> v;
	v.push_back(1);
	v.push_back(2);
	v.push_back(3);
	v.push_back(4);
	v.push_back(5);
	
	vector<int>::const_iterator it = v.begin();
	while (it != v.end())
	{
		cout << *it << " ";
		it++;
	}
	cout << endl;

	for (auto e : v)
	{
		cout << e << " ";
	}
	cout << endl;
}

5.拓展知识

我们把迭代器和范围for打印数据单独写成一个函数。

void vector_print(const vector<int>& v)
{
	vector<int>::const_iterator it = v.begin();
	while (it != v.end())
	{
		cout << *it << " ";
		it++;
	}
	cout << endl;

	for (auto e : v)
	{
		cout << e << " ";
	}
	cout << endl;
}

但是我们写的这个函数只能打印vector<int>类型的数据，我如果想打印vector<double>呢？

有人肯定想到了，写成函数模板。

template<class T>
void vector_print(const vector<T>& v)
{
	vector<T>::const_iterator it = v.begin();
	while (it != v.end())
	{
		cout << *it << " ";
		it++;
	}
	cout << endl;

	for (auto e : v)
	{
		cout << e << " ";
	}
	cout << endl;
}

这样想打印什么就打印什么。

但是这样写，编译器会编译报错，因为：没有实例化的类模板里面取东西，编译器不能区分这里的const_iterator是类型还是静态成员变量。

解决方法1：在vector<T>::const_iterator it = v.begin();这句代码前面加上typename，就是我们告诉编译器，这里是类型。

解决方法2：类型直接写成auto。

6.insert和迭代器失效问题

在vector.h的vector类里面声明和实现，insert代码如下。

void insert(iterator pos, const T& x)
{
    assert(pos >= _start);
    assert(pos <= _finish);
	if (_finish == _end_of_storage)
	{
		size_t len = pos - _start; //记录距离
		reserve(capacity() == 0 ? 4 : capacity() * 2);
		pos = _start + len;//更新pos
	}
	iterator end = _finish - 1;
	while (end >= pos)
	{
		*(end + 1) = *end;
		end--;
	}
	*pos = x;
	++_finish;
}

6.1 失效情况1

按照我们写string的insert的思路写vector的insert。

void insert(iterator pos, const T& x)
{
	if (_finish == _end_of_storage)
	{
		reserve(capacity() == 0 ? 4 : capacity() * 2);
	}
	iterator end = _finish - 1;
	while (end >= pos)
	{
		*(end + 1) = *end;
		end--;
	}
	*pos = x;
	++_finish;
}

在test.cpp中进行测试。

void test2()
{
	vector<int> v;
	v.push_back(1);
	v.push_back(2);
	v.push_back(3);
	v.push_back(4);
	v.push_back(5);
	v.vector_print(v);
	v.insert(v.begin() + 2, 30);
	v.vector_print(v);
}

当我们已经扩容好的时候，这个程序是没问题的。但是如果空间不够，我们插入数据时正好要扩容呢？程序会出现崩溃。

原因如下。

此时的pos已经找不到了，类似野指针。这就是一个最基础的迭代器失效问题。

解决方法就是我们先记录pos到start的位置距离，在扩容的时候更新pos，代码如下。

void insert(iterator pos, const T& x)
{
	if (_finish == _end_of_storage)
	{
		size_t len = pos - _start; //记录距离
		reserve(capacity() == 0 ? 4 : capacity() * 2);
		pos = _start + len;//更新pos
	}
	iterator end = _finish - 1;
	while (end >= pos)
	{
		*(end + 1) = *end;
		end--;
	}
	*pos = x;
	++_finish;
}

6.2 find

其实vector并没有像string那样实现find接口，如果我们想在vector用find，就要用算法库里面的find。

这个find是个模板，所有的容器都可以使用，这也体现了封装的特点。这个函数在first和last-1的区间找，找到了就返回下标，没找到就返回last。

比如说我们要找2，用法如下。

vector<int> v;
v.push_back(1);
v.push_back(2);
v.push_back(3);
v.push_back(4);
auto pos = find(v.begin(), v.end(), 2);

然后呢在2的前面插入一个40.

vector<int> v;
v.push_back(1);
v.push_back(2);
v.push_back(3);
v.push_back(4);
auto pos = find(v.begin(), v.end(), 2);
if (pos != v.end())
{
	v.insert(pos, 40);
}
v.vector_print(v);

6.3 失效情况2

访问pos，让pos位置的值加1。

vector<int> v;
v.push_back(1);
v.push_back(2);
v.push_back(3);
v.push_back(4);
auto pos = find(v.begin(), v.end(), 2);
if (pos != v.end())
{
	v.insert(pos, 40);
	*pos += 1; //pos位置的值加1
}
v.vector_print(v);

pos地方的值毫无变化。虽然pos在insert内部更新了，但是这种在外部访问的情况下，pos是局部变量，出了作用域就被销毁了，其实就是形参的改变不影响实参。参数pos加&是行不通的，因为这样就不支持别的迭代器了。

insert之后，pos已经失效了，前面画过图，所以，insert之后pos失效，不要访问。

insert改写

如果我们非要访问，insert的写法就要发生变化。如下。

iterator insert(iterator pos, const T& x)
{
	assert(pos >= _start);
	assert(pos <= _finish);
	if (_finish == _end_of_storage)
	{
		size_t len = pos - _start; //记录距离
		reserve(capacity() == 0 ? 4 : capacity() * 2);
		pos = _start + len;//更新pos
	}
	iterator end = _finish - 1;
	while (end >= pos)
	{
		*(end + 1) = *end;
		end--;
	}
	*pos = x;
	++_finish;
	return pos; //返回插入的位置
}

解决方法

然后我们记录pos的位置，再访问pos。

void test3()
{
	vector<int> v;
	v.push_back(1);
	v.push_back(2);
	v.push_back(3);
	v.push_back(4);
	auto pos = find(v.begin(), v.end(), 2);
	if (pos != v.end())
	{
		pos = v.insert(pos, 40);
		*pos += 1; //pos位置的值加1
	}
	v.vector_print(v);

}

所以insert之后pos失效，不要直接访问，要访问就要更新这个失效的迭代器。

6.4 失效情况3

以前面的pos为例，pos原本指向的是2，我们插入一个数据之后，pos指向了新插入的那个数据。

这也是一种迭代器失效的情况。前两种失效情况我们可以理解为类似野指针，这种失效情况就是位置的意义已经变了。所以insert后我们认为迭代器也失效了，所以不要访问。

如果使用vector，在vs下上述情况去访问pos，是会直接报错的，Linux下不会，这要看编译器。

7.erase和迭代器失效问题

7.1 erase

在vector.h的vector类里面声明和实现。

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

在test.cpp中进行测试。比如我们要删除所有偶数。

void test4()
{
	vector<int> v;
	v.push_back(1);
	v.push_back(2);
	v.push_back(3);
	v.push_back(4);
	v.push_back(5);

	v.vector_print(v);
	vector<int>::iterator i = v.begin();
	while (i != v.end())
	{
		if (*i % 2 == 0)
		{
			v.erase(i);
		}
		++i;
	}
	v.vector_print(v);
}

看起来成功了，我们换一个测试样例，换成123445。

没删干净。再换一个样例1234。

程序崩溃。

7.2迭代器失效问题

erase这里的迭代器失效和前面的失效情况一样，此时的i已经不是原来的数据了，就是失效了。如果一定要访问，更新一下在访问。

erase改写

所以我们这里的erase要有返回值，返回被删除元素的下一个元素。

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

在test.cpp中进行测试。

void test4()
{
	vector<int> v;
	v.push_back(1);
	v.push_back(2);
	v.push_back(3);
	v.push_back(4);

	v.vector_print(v);
	vector<int>::iterator i = v.begin();
	while (i != v.end())
	{
		if (*i % 2 == 0)
		{
			i = v.erase(i);//erase返回的是被删除数据的下一个数据
		}
		else
			++i;
	}
	v.vector_print(v);
}

都能正确处理。

8.resize

先回顾一下std里面中resize的结构。

在vector.h的vector类里面声明和实现。

这里的value_type其实就是模板参数T。所以我们在模拟实现resize的时候参数如下。

void resize(size_t n, T val = T())
{

}

这里T val = T()就是先通过后面的T的默认构造去构造一个匿名对象，然后再拷贝构造给前面的val，自定义类型要缺省的话，就是像这样，给相应的默认构造。当然这里默认构造+拷贝构造我们说过编译器可能会做优化，直接就是一个构造。

拓展

但是，但是，如果T不是自定义类型呢？我们说过，内置类型没有构造这样的概念。针对这一情况，内置类型也有了构造函数的概念。

int i = int();//初始化为0
iny j = int(1);//初始化为1
int k(2); //初始化为2

通过前面对resize的了解，我们知道，resize会出现三种情况。如下。

如果忘记了，请看【C++】vector使用详解_vector c++ 用法-CSDN博客 5.resize 。

我们模拟实现的时候也分两个情况就可以了，n<size和其他情况。

void resize(size_t n, T val = T())
{
	if (n < size())
	{
		_finish = _start + n;
	}
	else
	{
		reserve(n);//reserve内部会对n判断
		while (_finish < _start + n)
		{
			_finish = val;
			++_finish;
		}
	}
}

在test.cpp中进行测试。

void test5()
{
	vector<int> v;
	v.resize(6, 5);
	v.vector_print(v);
}

9.构造函数和析构函数

9.1 析构函数

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

9.2 构造函数

//vector() //默认构造
//{}

//C++11支持，强制生成默认构造
vector() = default; //默认构造
vector(const vector<T>& v)//拷贝构造
{
    reserve(v.size());
	for (auto& e : v)
	{
		push_back(e);
	}
}

10.swap、clear和operator=

在vector.h的vector类里面声明和实现。

10.1 传统写法

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

void clear()
{
	_finish = _start;
}

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

上面写的是传统写法。

在test.cpp中进行测试一下传统写法。

vector<int> v1, v2;
v1.resize(5, 1);
v1.vector_print(v1);
v2.resize(5, 2);
v2.vector_print(v2);
v2 = v1;
v2.vector_print(v2);

10.2 现代写法

现代写法的具体内容在【C++拓展】深拷贝的传统写法vs现代写法，你更喜欢哪个？-CSDN博客

vector<T>& operator=(vector<T> v)
{
	swap(v);
	return *this;
}

测试用例和上面一样。

vector模拟实现大概结构以及迭代器失效问题就介绍完了，拜拜~

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原始发表：2024-11-15，如有侵权请联系 cloudcommunity@tencent.com 删除

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