【C++】vector模拟实现及其应用-Toy模板网

这篇具有很好参考价值的文章主要介绍了【C++】vector模拟实现及其应用。希望对大家有所帮助。如果存在错误或未考虑完全的地方，请大家不吝赐教，您也可以点击"举报违法"按钮提交疑问。

vector的介绍

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。

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。

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。

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。

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的使用及其实现

vector的定义

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

int main()
{
	vector<int> v1;//无参构造
	vector<int> v2(5, 3);
	for (auto ch : v2)
	{
		cout << ch << " ";
	}
	cout << endl;
	vector<int> v3(v2);
	//拷贝构造是定义一个新的，赋值是已经定义好了一个了
	for (auto ch : v3)
	{
		cout << ch << " ";
	}
	cout << endl;
	vector<int> v4(v3.begin()+ 1, v3.end()- 1);
	for (auto ch : v4)
	{
		cout << ch << " ";
	}
	cout << endl;

	return 0;
}

模拟实现，需要注意的地方注释在代码中了

		vector()
			:_start(nullptr)
			, _finish(nullptr)
			, _end_of_storage(nullptr)
		{}
		vector(size_t n,const T& val=T())
			:_start(nullptr)
			, _finish(nullptr)
			, _end_of_storage(nullptr)
		{
			reserve(n);
			for (int i = 0; i < n; ++i)
			{
				push_back(val);
			}
		}
		vector(int n, const T& val = T())
			:_start(nullptr)
			, _finish(nullptr)
			, _end_of_storage(nullptr)
		{
			reserve(n);
			for (int i = 0; i < n; ++i)
			{
				push_back(val);
			}
		}
		//1.vector(size_t n,const T& val=T())
		//2.vector<int> v1(10, 5);
		//3.template <class InputIterator>
		//vector(InputIterator first, InputIterator last)
		//上面的三行注释的代码，1和2互相冲突，2会优先访问3，它们的类型更加匹配，
		//编译器会优先找与自己更加合适的人匹配
		//错误非法的间接寻址
		//解决办法可以在重载一个构造函数，将size_t改成int
		template <class InputIterator>
		vector(InputIterator first, InputIterator last)
		{
			while (first != last)
			{
				push_back(*first);
				++first;
			}
		}
		//vector(const vector<T>& v)
		//{
		//	_start = new T[v.capacity()];
		//	//memcpy(_start, v._start, sizeof(T)*v.size());
		//	//因为memcpy也是进行浅拷贝，vector<string>
		//	for (size_t i = 0; i < v.size(); ++i)
		//	{
		//		_start[i] = v._start[i];
		//		//
		//	}

		//	_finish = _start + v.size();
		//	_end_of_storage = _start + v.capacity();
		//}
		//这里使用上面被注释的代码，拷贝构造也是可以的，上面的更加规范
		//注意memcpy是不能随便用的，会造成浅拷贝
		vector(const vector<T>& v)
		{
			vector<T> tmp(v.begin(), v.end());
			swap(tmp);
		}
		void swap(vector<T>& v)
		{
			std::swap(_start, v._start);
			std::swap(_finish, v._finish);
			std::swap(_end_of_storage, v._end_of_storage);
		}
		//注意下面是传值，临时拷贝，所以交换时将他修改也是无所谓的，
		//也并不会影响v2的结果！！！！！！！！！！！！！
		//v1=v2
		vector<T>& operator=(vector<T> v)
		{
			swap(v);
			return *this;
		}

从上面的两张图片当中，在实现拷贝构造和赋值重载时是可以将vector<T>替换为vector

在这里介绍一个自己当时的疑问，为什么模板函数不能直接代替vector<int>，
vector(const vector<T>& v)
vector(int n, const T& val = T())
问题也是从上面的两个函数参数得来的，在第二个当中就能代替vector<int>，而上面的却不能。
T是vector存储的数据类型，拷贝构造是要用已有的vector对象构造新的vector，所以类型应该是const vector<T>的

vector iterator 的使用

iterator的使用	接口说明
begin + end（重点）	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

int main()
{
	vector<int> v1;
	v1.push_back(1);
	v1.push_back(2);
	v1.push_back(3);
	v1.push_back(4);
	v1.push_back(5);
	vector<int>::iterator it = v1.begin();
	while (it != v1.end())
	{
		cout << *it << " ";
		it++;
	}
	cout << endl;
	vector<int>::reverse_iterator rit = v1.rbegin();
	while (rit !=v1.rend())
	{
		cout << *rit << " ";
		rit++;
	}
	cout << endl;
}

相关模拟实现，反向迭代器会在后期实现的。

		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（重点）	改变vector的size
reserve （重点）	改变vector的capacity

capacity的代码在vs和g++下分别运行会发现，vs下capacity是按1.5倍增长的，g++是按2倍增长的。
这个问题经常会考察，不要固化的认为，vector增容都是2倍，具体增长多少是根据具体的需求定义
的。vs是PJ版本STL，g++是SGI版本STL。

reserve只负责开辟空间，如果确定知道需要用多少空间，reserve可以缓解vector增容的代价缺陷问
题。

resize在开空间的同时还会进行初始化，影响size。

// 测试vector的默认扩容机制
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';
		}
	}
}
vs：运行结果：vs下使用的STL基本是按照1.5倍方式扩容
making foo grow :
capacity changed : 1
capacity changed : 2
capacity changed : 3
capacity changed : 4
capacity changed : 6
capacity changed : 9
capacity changed : 13
capacity changed : 19
capacity changed : 28
capacity changed : 42
capacity changed : 63
capacity changed : 94
capacity changed : 141
g++运行结果：linux下使用的STL基本是按照2倍方式扩容
making foo grow :
capacity changed : 1
capacity changed : 2
capacity changed : 4
capacity changed : 8
capacity changed : 16
capacity changed : 32
capacity changed : 64
capacity changed : 128
// 如果已经确定vector中要存储元素大概个数，可以提前将空间设置足够
// 就可以避免边插入边扩容导致效率低下的问题了
void TestVectorExpandOP()
{
	vector<int> v;
	size_t sz = v.capacity();
	v.reserve(100); // 提前将容量设置好，可以避免一遍插入一遍扩容
	cout << "making bar 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';
		}
	}
}

下面为相关操作

int main()
{
	vector<int> v1(5, 3);
	cout << v1.size() << endl;
	cout << v1.capacity() << endl;
	for (auto ch : v1)
	{
		cout << ch << " ";
	}
	cout << endl;

	v1.reserve(10);
	cout << v1.size() << endl;
	cout << v1.capacity() << endl;
	for (auto ch : v1)
	{
		cout << ch << " ";
	}
	cout << endl;

	v1.resize(20,1);
	cout << v1.size() << endl;
	cout << v1.capacity() << endl;
	for (auto ch : v1)
	{
		cout << ch << " ";
	}
	cout << endl;
	return 0;
}

模拟实现

		bool empty() const
		{
			return  _start == _finish;
		}
		size_t size() const
		{
			return _finish - _start;
		}
		size_t capacity() const
		{
			return _end_of_storage - _start;
		}
		void reserve(size_t n)
		{
			if (n > capacity())
			{
				T* tmp = new T[n];
				size_t sz = size();//提前做好记录，防止更改地址
				if (_start)//判断一下，如果为空，就可以省去这步
				{
					//memcpy(tmp, _start, sizeof(T) * n);
					//在扩容这里也是有问题的，因为需要将数据移过来
					//如果只是进行浅拷贝，在执行delete[] _start;时数据会销毁
					for (size_t i = 0; i < sz; ++i)
					{
						tmp[i] = _start[i];
					}
					delete[] _start;
				}
				//开新的空间地址会更改，_strat,_finsh,_end_of_storage都会改变，***
				_start = tmp;
				_finish = _start + sz;
				_end_of_storage = _start + n;
			}
		}
		void resize(size_t n, T val = T())
		{//这里的第二个参数是可以为任意类型
			if (n < size())
			{
				_finish = _start + n;
			}
			else
			{
				if (n > capacity())
				{
					reserve(n);
				}
				while (_finish != _start + n)
				{
					*_finish = val;
					_finish++;
				}
			}
		}

vector的增删查改

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

1.2.4 vector 迭代器失效问题。（重点）
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：

会引起其底层空间改变的操作，都有可能是迭代器失效，比如：resize、reserve、insert、assign、
push_back等。

#include <iostream>
using namespace std;
#include <vector>
int main()
{
	vector<int> v{ 1,2,3,4,5,6 };

	auto it = v.begin();

	// 将有效元素个数增加到100个，多出的位置使用8填充，操作期间底层会扩容
	// v.resize(100, 8);

	// reserve的作用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(100);

	// 插入元素期间，可能会引起扩容，而导致原空间被释放
	// v.insert(v.begin(), 0);
	// v.push_back(8);

	// 给vector重新赋值，可能会引起底层容量改变
	v.assign(100, 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;
	return 0;
}

指定位置元素的删除操作–erase

#include <iostream>
using namespace std;
#include <vector>
int main()
{
 int a[] = { 1, 2, 3, 4 };
 vector<int> v(a, a + sizeof(a) / sizeof(int));
 // 使用find查找3所在位置的iterator
 vector<int>::iterator pos = find(v.begin(), v.end(), 3);
 // 删除pos位置的数据，导致pos迭代器失效。
 v.erase(pos);
 cout << *pos << endl; // 此处会导致非法访问
 return 0;
}

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。
以下代码的功能是删除vector中所有的偶数，请问那个代码是正确的，为什么？

int main()
{
	vector<int> v{ 1, 2, 3, 4 };
	auto it = v.begin();
	while (it != v.end())
	{
		if (*it % 2 == 0)
			v.erase(it);
		++it;
	}
	return 0;
}
//这段代码的问题出在了，当删除了，最后一个值，end和it正好错过
//因此it != v.end()也就无法达到
//下面的代码是解决方法，这也是erase为什么要有返回值的原因
int main()
{
	vector<int> v{ 1, 2, 3, 4 };
	auto it = v.begin();
	while (it != v.end())
	{
		if (*it % 2 == 0)
			it = v.erase(it);
		else
			++it;
	}
	return 0;
}

迭代器失效解决办法：在使用前，对迭代器重新赋值即可
模拟实现
在这里要重点注意一下memcpy文章来源地址https://www.toymoban.com/news/detail-424201.html

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

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。

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& val)
		{
			assert(pos <= _finish);
			assert(pos >= _start);
			if (_finish == _end_of_storage)
			{
				size_t len = pos - _start;//防止迭代器失效
				reserve(capacity() == 0 ? 4 : capacity() * 2);
				pos = _start + len;
				//迭代器失效！！！！！
			}
			iterator end = _finish - 1;
			while (end >= pos)
			{
				*(end + 1) = *end;
				end--;
			}
			*pos = val;
			_finish++;
			return pos;
		}
		iterator erase(iterator pos)
		{
			assert(pos < _finish);
			assert(pos >= _start);
			iterator start = pos + 1;
			while (start != _finish)
			{
				*(start - 1) = *(start);
				start++;
			}
			_finish--;
			return pos;
		}


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