[C++历练之路]vector的介绍以及底层模拟实现

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🍔前言：

我们学习了STL中的string以及其所有重要接口并进行了模拟实现，但是STL中包含的内容不止于此。学习了string之后继续学习STL中的vector，学习成本会大大降低，因为他们非现类似，现在就让我们进入vector的世界中吧！

目录

vector的介绍及使用

vector的介绍

vector的使用

 vector的定义

vector iterator 的使用

vector 空间增长问题

vector 增删查改

 ​编辑

vector的深度剖析以及模拟实现

vector类的创建以及构造函数与析构函数

 迭代器相关模拟实现

 容量相关模拟实现

元素访问相关模拟实现

vector的修改操作模拟实现

 vector 迭代器失效问题

赋值重载函数的模拟

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vector的介绍及使用

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。
 

vector的使用

vector学习时一定要学会查看文档：vector的文档介绍，vector在实际中非常的重要，在实际中我们熟悉常见的接口就可以，下面列出了哪些接口是要重点掌握的。

 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

这些vector定义参数全都是被typedef的内容，我们应该了解每个参数的含义： 下面演示以下如何使用构造函数与拷贝构造函数：

#define _CRT_SECURE_NO_WARNINGS#include <iostream>using namespace std;#include <vector>//    vector的构造int TestVector1(){    // constructors used in the same order as described above:    vector<int> first;                                // empty vector of ints    vector<int> second(4, 100);                       // four ints with value 100    vector<int> third(second.begin(), second.end());  // iterating through second    vector<int> fourth(third);                       // a copy of third    // 下面涉及迭代器初始化的部分，我们学习完迭代器再来看这部分    // the iterator constructor can also be used to construct from arrays:    int myints[] = { 16,2,77,29 };    vector<int> fifth(myints, myints + sizeof(myints) / sizeof(int));    cout << "The contents of fifth are:";    for (vector<int>::iterator it = fifth.begin(); it != fifth.end(); ++it)        cout << ' ' << *it;    cout << '\n';    return 0;}

这里要强调一下迭代器构造函数，我们一般看到的类型是iterator类型的，而模板这里的模板参数给予的是inputiterator，并且给与class模板：

迭代器也是分类型的，不仅仅只有string、vector迭代器，还有其他的迭代器。所以我们可以传入不同的迭代器对vector进行初始化操作。数组就是一个非常好的例子，在上述例子中我们也体现出不同迭代器对vector的初始化。 

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

 迭代器都是左闭右开的区间。

void PrintVector(const vector<int>& v){// const对象使用const迭代器进行遍历打印vector<int>::const_iterator it = v.begin();while (it != v.end()){cout << *it << " ";++it;}cout << endl;}void TestVector2(){// 使用push_back插入4个数据vector<int> v;v.push_back(1);v.push_back(2);v.push_back(3);v.push_back(4);// 使用迭代器进行遍历打印vector<int>::iterator it = v.begin();while (it != v.end()){cout << *it << " ";++it;}cout << endl;// 使用迭代器进行修改it = v.begin();while (it != v.end()){*it *= 2;++it;}// 使用反向迭代器进行遍历再打印// vector<int>::reverse_iterator rit = v.rbegin();auto rit = v.rbegin();while (rit != v.rend()){cout << *rit << " ";++rit;}cout << endl;PrintVector(v);}

上述代码我们使用迭代器对vector进行了正向与反向的遍历打印，很好的说明了迭代器的使用。我们也可以使用[]重载进行遍历，但这里我们不推荐使用，因为下标访问对底层逻辑是数组的可以进行访问，但是在后面的链表、树中就不能了，我们要尽早习惯使用迭代器。

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

vector这些接口与string是一模一样，只要学会使用string的接口vector的这些接口也不再话下：

void TestVector3(){vector<int> v;// set some initial content:for (int i = 1; i < 10; i++)v.push_back(i);v.resize(5);v.resize(8, 100);v.resize(12);cout << "v contains:";for (size_t i = 0; i < v.size(); i++)cout << ' ' << v[i];cout << '\n';}// 测试vector的默认扩容机制// vs：按照1.5倍方式扩容// linux：按照2倍方式扩容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';}}}// 往vecotr中插入元素时，如果大概已经知道要存放多少个元素// 可以通过reserve方法提前将容量设置好，避免边插入边扩容效率低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';}}}

 vector的扩容与string的扩容机制是一样的，都是vs下是1.5倍扩容增长，Linux下是2倍增长。

vector中有一个函数接口我们可以有所了解，这个函数是用来缩容的。如果size的大小为8，而capacity的大小为80，我们可以使用shrink_to_fit函数进行缩容。但是我们不建议缩容，因为会进行空间的深拷贝以及析构。有所了解即可。

注意：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。

vector 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

 

 insert与erase中与string有区别，在string中支持使用下标进行访问，而在vector中只支持迭代器进行访问。

find查找函数在vector中是没有的，而包含在algorithm头文件中

这样我们每次使用find都必须包含算法头文件，但是find函数是一个模板函数，所以只要是迭代器无论是什么类型的都可以进行复用！！！

剩下的接口与string是一样的，使用起来非常简单，下面是演示代码：

// 尾插和尾删：push_back/pop_backvoid TestVector4(){vector<int> v;v.push_back(1);v.push_back(2);v.push_back(3);v.push_back(4);auto it = v.begin();while (it != v.end()) {cout << *it << " ";++it;}cout << endl;v.pop_back();v.pop_back();it = v.begin();while (it != v.end()) {cout << *it << " ";++it;}cout << endl;}// 任意位置插入：insert和erase，以及查找find// 注意find不是vector自身提供的方法，是STL提供的算法void TestVector5(){// 使用列表方式初始化，C++11新语法vector<int> v{ 1, 2, 3, 4 };// 在指定位置前插入值为val的元素，比如：3之前插入30,如果没有则不插入// 1. 先使用find查找3所在位置// 注意：vector没有提供find方法，如果要查找只能使用STL提供的全局findauto pos = find(v.begin(), v.end(), 3);if (pos != v.end()){// 2. 在pos位置之前插入30v.insert(pos, 30);}vector<int>::iterator it = v.begin();while (it != v.end()) {cout << *it << " ";++it;}cout << endl;pos = find(v.begin(), v.end(), 3);// 删除pos位置的数据v.erase(pos);it = v.begin();while (it != v.end()) {cout << *it << " ";++it;}cout << endl;}// operator[]+index 和 C++11中vector的新式for+auto的遍历// vector使用这两种遍历方式是比较便捷的。void TestVector6(){vector<int> v{ 1, 2, 3, 4 };// 通过[]读写第0个位置。v[0] = 10;cout << v[0] << endl;// 1. 使用for+[]小标方式遍历for (size_t i = 0; i < v.size(); ++i)cout << v[i] << " ";cout << endl;vector<int> swapv;swapv.swap(v);cout << "v data:";for (size_t i = 0; i < v.size(); ++i)cout << v[i] << " ";cout << endl;// 2. 使用迭代器遍历cout << "swapv data:";auto it = swapv.begin();while (it != swapv.end()){cout << *it << " ";++it;}// 3. 使用范围for遍历for (auto x : v)cout << x << " ";cout << endl;}

vector的深度剖析以及模拟实现

要实现vector我们先要从STL中了解vector的底层逻辑。

上图就是vector在STL中的源代码，其中就有许多不知名的参数在vector中的使用我们也能看到，为了更好的理解，这些都是被typedef的。接下来我们可以看到类中的参数并不是我们以前学习到的T* tmp、int size以及int capacity，而是用三个指针进行的，分别是start、finish以及end_of_storage所体现的。

这三个指针分别代表着首指针，内容尾部指针以及空间尾部指针，与size、capacity有着密切的关联，这样说还不够明显，我们接着往下看。

vector中的size与capacity函数的源代码，就是将提供私有成员进行相减得到的大小。我们就可以理解其中的start、finish、end_of_storage的指向了。 

 其实大体的结构没有改变，只是使用指针去定义vector中的各种数据。

现在我们就可以进行vector的模拟实现了。

vector类的创建以及构造函数与析构函数

#pragma once#include <iostream>using namespace std;#include <assert.h>namespace why{template<class T>class vector{public:// Vector的迭代器是一个原生指针typedef T* iterator;typedef const T* const_iterator;///// 构造和销毁vector(): _start(nullptr), _finish(nullptr), _endOfStorage(nullptr){}vector(size_t n, const T& value = T()): _start(nullptr), _finish(nullptr), _endOfStorage(nullptr){reserve(n);while (n--){push_back(value);}}/** 理论上将，提供了vector(size_t n, const T& value = T())之后* vector(int n, const T& value = T())就不需要提供了，但是对于：* vector<int> v(10, 5);* 编译器在编译时，认为T已经被实例化为int，而10和5编译器会默认其为int类型* 就不会走vector(size_t n, const T& value = T())这个构造方法，* 最终选择的是：vector(InputIterator first, InputIterator last)* 因为编译器觉得区间构造两个参数类型一致，因此编译器就会将InputIterator实例化为int* 但是10和5根本不是一个区间，编译时就报错了* 故需要增加该构造方法*/vector(int n, const T& value = T()): _start(new T[n]), _finish(_start+n), _endOfStorage(_finish){for (int i = 0; i < n; ++i){_start[i] = value;}}// 若使用iterator做迭代器，会导致初始化的迭代器区间[first,last)只能是vector的迭代器// 重新声明迭代器，迭代器区间[first,last)可以是任意容器的迭代器template<class InputIterator>vector(InputIterator first, InputIterator last){while (first != last){push_back(*first);++first;}}        ~vector(){if (_start){delete[] _start;_start = _finish = _endOfStorage = nullptr;}}        //拷贝构造函数        vector(const vector<T>& v): _start(nullptr), _finish(nullptr), _endOfStorage(nullptr){reserve(v.capacity());iterator it = begin();const_iterator vit = v.cbegin();while (vit != v.cend()){*it++ = *vit++;}_finish = it;}    private:iterator _start;// 指向数据块的开始iterator _finish;// 指向有效数据的尾iterator _endOfStorage;  // 指向存储容量的尾};}

这是vector常见的构造函数与析构函数。

无参默认函数非常简单，而第二种构造函数是将一种类型的内容进行n个初始化，那为什么在模拟构造时要写两个此类函数构成重载吗？不是多此一举？

因为假如不写重载就会与第三个迭代器类模板冲突，因为我们传入的参数很可能是两个int类型的值，我们用户本意是将n个int类型的值进行初始化，但是两个int值会与更匹配的模板进行结合，导致非法间接寻址，所以我们必须要重载一个int型。

 迭代器相关模拟实现

iterator begin(){return _start;}iterator end(){return _finish;}const_iterator cbegin() const{return _start;}const_iterator cend() const{return _finish;}

 容量相关模拟实现

        size_t size() const { return _finish - _start; }size_t capacity() const { return _endOfStorage - _start; }bool empty() const { return _start == _finish; }void reserve(size_t n){if (n > capacity()){size_t oldSize = size();// 1. 开辟新空间T* tmp = new T[n];// 2. 拷贝元素        // 这里直接使用memcpy会有问题吗？同学们思考下        //if (_start)        //memcpy(tmp, _start, sizeof(T)*size);if (_start){for (size_t i = 0; i < oldSize; ++i)tmp[i] = _start[i];// 3. 释放旧空间delete[] _start;}_start = tmp;_finish = _start + oldSize;_endOfStorage = _start + n;}}void resize(size_t n, const T& value = T()){// 1.如果n小于当前的size，则数据个数缩小到nif (n <= size()){_finish = _start + n;return;}// 2.空间不够则增容if (n > capacity())reserve(n);// 3.将size扩大到niterator it = _finish;_finish = _start + n;while (it != _finish){*it = value;++it;}}

 reserve函数是扩容函数，在复用的时候肯定会遇到异地扩容的情况，所以我们必须进行深拷贝处理，使用memcpy可以解决一些普通变量的拷贝比如：int、double等等。但是面对复杂的内容就无法解决，所以我们必须使用赋值进行拷贝。

假设模拟实现的vector中的reserve接口中，使用memcpy进行的拷贝，以下代码会发生什么问题？

int main(){    bite::vector<bite::string> v;    v.push_back("1111");    v.push_back("2222");    v.push_back("3333");    return 0;}

问题分析：
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。 

结论：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。 

我们必须打好reserve的基础，这个扩容在后面的许多函数都必须要用，我们必须创建好。

resize的函数算法与string中的算法原理相同。

元素访问相关模拟实现

T& operator[](size_t pos) { assert(pos < size());return _start[pos]; }const T& operator[](size_t pos)const { assert(pos < size());return _start[pos]; }T& front(){return *_start;}const T& front()const{return *_start;}T& back(){return *(_finish - 1);}const T& back()const{return *(_finish - 1);}

在不改变内容的情况下，我们必须考虑有const的，所以必须进行函数重载。

vector的修改操作模拟实现

void push_back(const T& x) { insert(end(), x); }void pop_back() { erase(end() - 1); }void swap(vector<T>& v){std::swap(_start, v._start);std::swap(_finish, v._finish);std::swap(_endOfStorage, v._endOfStorage);}iterator insert(iterator pos, const T& x){assert(pos <= _finish);// 空间不够先进行增容if (_finish == _endOfStorage){//size_t size = size();size_t newCapacity = (0 == capacity()) ? 1 : capacity() * 2;reserve(newCapacity);// 如果发生了增容，需要重置pospos = _start + size();}iterator end = _finish - 1;while (end >= pos){*(end + 1) = *end;--end;}*pos = x;++_finish;return pos;}// 返回删除数据的下一个数据// 方便解决:一边遍历一边删除的迭代器失效问题iterator erase(iterator pos){// 挪动数据进行删除iterator begin = pos + 1;while (begin != _finish) {*(begin - 1) = *begin;++begin;}--_finish;return pos;}

在创建insert与erase函数时，我们都会遇到一种问题，迭代器失效。

 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iteratorvector<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。

Linux下，g++编译器对迭代器失效的检测并不是非常严格，处理也没有vs下极端。

迭代器失效解决办法：在使用前，对迭代器重新赋值即可。

赋值重载函数的模拟

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;}

我们可以偷个懒，将拷贝好的内容直接进行交换即可实现赋值的作用。

以上我们将vector与vector的模拟实现全部完成。相信大家看完这篇博客可以对vector有更深的理解。

创作不易，希望大家多多支持！！！

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