C++：Vector的模拟实现

时间：2024-03-24 13:23:01 来源：网络cs 作者：利杜鹃栏目：跨境学堂阅读：

标签：实现模拟

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创作不易，感谢三连！！

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 相关成员函数

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 assign

assign跟赋值很相似，都是将新内容分配给容器，替换其当前内容，并相应地修改其大小。然后assign有两个版本，第一个版本是迭代器区间替换（我们可以控制范围），第二个版本是直接替换成n个相同元素，而赋值的话就是简单的直接替换，可以说是assign的一个特殊情况，所以我们先实现assign再用=来复用。

（1）迭代器区间替换

//assign的迭代器区间替换template <class InputIterator>  void assign(InputIterator first, InputIterator last){size_t sz = last - first;T* temp = new T[sz];for (int i = 0; i < sz; ++i)temp[i] =*(first+i);delete[]_start;_start = temp;_finish = _end_of_storage = _start + sz;}

（2）直接替换

//assign的直接替换void assign(size_t n, const T& val){T* temp = new T[n];for (int i = 0; i < n; ++i)temp[i] = val;delete[]_start;_start = temp;_finish = _end_of_storage = _start + n;}

但是这样的话，就会跟之前的有参构造一样，会由于n是size_t类型，如果两个都是传的int就会出现间接寻址的问题

所以我们必须要写一个重载版本

void assign(int n, const T& val){T* temp = new T[n];for (int i = 0; i < n; ++i)temp[i] = val;delete[]_start;_start = temp;_finish = _end_of_storage = _start + n;}

2.1.5 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

传统赋值重载可以复用assign

//重载赋值=（传统）vector<T>& operator=(const vector<T>& v){assign(v.begin(), v.end());return *this;}

2.1.6 拷贝构造和赋值重载的现代写法

现代的写法就是用的资本家的思想，窃取劳动成果

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;}

2.1.7 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

2.1.8 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sizesize_t size() const{return _finish - _start;}//获取capacotysize_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posreserve(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

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){assign(v.begin(), v.end());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;//}//assign的迭代器区间替换template <class InputIterator>  void assign(InputIterator first, InputIterator last){size_t sz = last - first;T* temp = new T[sz];for (int i = 0; i < sz; ++i)temp[i] =*(first+i);delete[]_start;_start = temp;_finish = _end_of_storage = _start + sz;}//assign的直接替换void assign(size_t n, const T& val){T* temp = new T[n];for (int i = 0; i < n; ++i)temp[i] = val;delete[]_start;_start = temp;_finish = _end_of_storage = _start + n;}assign的直接替换 重载//防止间接寻址void assign(int n, const T& val){T* temp = new T[n];for (int i = 0; i < n; ++i)temp[i] = val;delete[]_start;_start = temp;_finish = _end_of_storage = _start + n;}////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sizesize_t size() const{return _finish - _start;}//获取capacotysize_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