【C++】——vector的介绍及模拟实现-Toy模板网

这篇具有很好参考价值的文章主要介绍了【C++】——vector的介绍及模拟实现。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。

1. 前言

上一篇文章我们学习了C++中string类的使用和模拟实现，string是一种表示字符串的字符串类今天我们来继续学习C++中的另一种容器：vector。

2. 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。

3. vector的常用接口

3.1 vector对象的常见构造函数

函数名称	功能说明
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

void Test1()
	{
		vector<int> v1;
		vector<int> v2(10, 1);
		vector<int> v3(v2);
	}

【C++】——vector的介绍及模拟实现

3.2 iterator的使用

函数名称	功能说明
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

void Test1()
	{
		vector<int> v1;
		vector<int> v2(10, 1);
		vector<int> v3(v2);
		//迭代器
		vector<int>::iterator it = v2.begin();

		while (it != v2.end())
		{
			(*it)++;
			cout << *it << ' ';
			it++;
		}
		cout << endl;

	}

【C++】——vector的介绍及模拟实现

3.3 vector的空间管理

函数名称	功能说明
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

注意：
1.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。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。
2.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。
3.resize在开空间的同时还会进行初始化，影响size。

void TestVectorExpand()
	{
		size_t sz;
		vector<int> v;
		//v.resize(100);
		//v.reserve(100);

		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';
			}
		}
	}

	void Test3()
	{
		vector<int> v1;
		cout << v1.max_size() << endl;
	
		TestVectorExpand();
	
	}

【C++】——vector的介绍及模拟实现

void TestVectorExpand()
	{
		size_t sz;
		vector<int> v;
		//v.resize(100);
		v.reserve(100);

		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';
			}
		}
	}

	void Test3()
	{
		vector<int> v1;
		cout << v1.max_size() << endl;
	
		TestVectorExpand();
	
	}

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3.4 vector的增删查改

函数名称	功能说明
push_back	尾插
pop_back	尾删
find	查找
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

void Test4()
	{
		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 pos = find(v1.begin(), v1.end(), 3);
		if (pos != v1.end())
		{
			v1.insert(pos, 30);
		}
		for (size_t i = 0; i < v1.size(); i++)
		{
			cout << v1[i] << ' ';
		}
		cout << endl;

		pos = find(v1.begin(), v1.end(), 300);
		if (pos != v1.end())
		{
			v1.erase(pos);
		}

		for (auto e : v1)
		{
			cout << e << ' ';
		}
		cout << endl;
	}

【C++】——vector的介绍及模拟实现

void Test5()
	{
		vector<int> v1;
		v1.push_back(10);
		v1.push_back(1);
		v1.push_back(44);
		v1.push_back(223);
		v1.push_back(32);
		v1.push_back(56);
		v1.push_back(15);
		v1.push_back(90);
		for (auto e : v1)
		{
			cout << e << ' ';
		}
		cout << endl;

		sort(v1.begin(), v1.end());
		
		for (auto e : v1)
		{
			cout << e << ' ';
		}
		cout << endl;
	
		//less<int> ls;
		//greater<int> gt;
		//sort(v1.begin(), v1.end(), gt);
		sort(v1.begin(), v1.end(), greater<int>());
		for (auto e : v1)
		{
			cout << e << ' ';
		}
		cout << endl;
	}

【C++】——vector的介绍及模拟实现

4. vector迭代器失效的问题

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)。
可能导致迭代器失效的操作有很多，下面我们来一一介绍。

4.1 底层空间改变的操作

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

void Test6()
	{
		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);

		
		while (it != v.end())
		{
			cout << *it << " ";
			++it;
		}
		cout << endl;
	}

【C++】——vector的介绍及模拟实现

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。

4.2 指定位置元素的删除操作

void Test7()
	{
	
		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
	
	}

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。

总结：
迭代器失效解决办法：在使用前，对迭代器重新赋值即可。

5. vector模拟实现

namespace fiora
{
	template<class T>
	class vector
	{
	public:
		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;
		}

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

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

		void reserve(size_t n)
		{
			if (n > capacity())
			{
				size_t sz = size();
				T* tmp = new T[n];
				if (_start)
				{
					//memcpy(tmp, _start, sizeof(T) * sz);
					for (size_t i = 0; i < sz; i++)
					{
						tmp[i] = _start[i];
					}
					delete[] _start;
				}
				_start = tmp;
				_finish = _start + sz;
				_end_of_storage = _start + n;
			}
		}

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

			}
			else
			{
				_finish = _start + n;
			}
		}


		iterator insert(iterator pos, const T& x)
		{
			assert(pos >= _start);
			assert(pos <= _finish);

			if (_finish == _end_of_storage)
			{
				size_t len = pos - _start;
				reserve(capacity() == 0 ? 4 : capacity() * 2);
				pos = len + _start;
			}
			//向后挪动数据
			iterator end = _finish - 1;
			while (end >= pos)
			{
				*(end + 1) = *end;
				end--;
			}
		
			*pos = x;
			_finish++;
			return pos;
		}

		//erase返回删除位置的下一个位置的迭代器
		iterator erase(iterator pos)
		{
			assert(pos >= _start);
			assert(pos < _finish);

			iterator begin = pos + 1;
			while (begin < _finish)
			{
				*(begin - 1) = *begin;
				begin++;
			}
			_finish--;
			return pos;
		}

		T& front()
		{
			assert(size() > 0);

			return *_start;
		}

		T& back()
		{
			assert(size() > 0);

			return *(_finish - 1);
		}

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

		void pop_back()
		{
			assert(_finish > _start);
			_finish--;
		}

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

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

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

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

		vector()
			:_start(nullptr)
			,_finish(nullptr)
			,_end_of_storage(nullptr)
		{
		
		}

		/*vector(const vector<T>& v)
			:_start(nullptr)
			,_finish(nullptr)
			,_end_of_storage(nullptr)
		{
			reserve(v.size());
			for (const auto& e : v)
			{
				push_back(e);
			}
		}*/

		vector(const vector<T>& v)
			:_start(nullptr)
			,_finish(nullptr)
			,_end_of_storage(nullptr)
		{
			vector<T> tmp(v.begin(), v.end());
			swap(tmp);
		}


		vector(size_t n, const T& val = T())
			:_start(nullptr)
			, _finish(nullptr)
			, _end_of_storage(nullptr)
		{
			reserve(n);
			for (size_t i = 0; i < n; ++i)
			{
				push_back(val);
			}
		}

		template<class Iterator>
		vector(Iterator first, Iterator last)
			:_start(nullptr)
			,_finish(nullptr)
			,_end_of_storage(nullptr)
		{
			while (first != last)
			{
				push_back(*first);
				first++;
			}
		}

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


	private:
		iterator _start;
		iterator _finish;
		iterator _end_of_storage;

	};
}

6. 结尾

到这里，关于vector的介绍和常见功能我们就学习结束了，vector在实际中非常的重要，但在实际中我们只要熟悉常见的接口就可以了，最重要的是理解他的底层原理，要能够自己模拟实现出一个简单的vector。
最后，感谢各位大佬的耐心阅读和支持，觉得本篇文章写的不错的朋友可以三连关注支持一波，如果有什么问题或者本文有错误的地方大家可以私信我，也可以在评论区留言讨论，再次感谢各位。文章来源地址https://www.toymoban.com/news/detail-474993.html

到了这里，关于【C++】——vector的介绍及模拟实现的文章就介绍完了。如果您还想了解更多内容，请在右上角搜索TOY模板网以前的文章或继续浏览下面的相关文章，希望大家以后多多支持TOY模板网！