【C++】：vector容器的底层模拟实现&&迭代器失效&&隐藏的浅拷贝

霍霍哈嗨2024-06-01 22:40

目录

💡前言

点击跳转到文章 ：vector容器的基本使用

上篇文章已经介绍了vector容器的基本使用，这篇文章主要选择vector中一些核心的，基本的接口进行模拟实现。

注意：由于我们模拟实现时使用了类模板 ，所以不建议进行文件分离，不然会产生链接错误 。所以我们把函数都写在.h文件中，在Test.cpp文件中进行测试。

首先我们先给出vector类：

c 复制代码 
#include <assert.h>
#include <vector>
#include <iostream>
using namespace std;

template<class T>
class vector
{
public:
	// Vector的迭代器是一个原生指针
	typedef T* iterator;
	typedef T* const_iterator;
	
	//......
	
private:
	iterator _start = nullptr;//指向开始位置的指针
	iterator _finish = nullptr;//指向最后一个位置的下一个位置的指针
	iterator _end_of_storage = nullptr;//指向存储容量的尾
};

一，构造函数

在vector文档中，构造函数分为好几个类型，下面分别进行介绍：

1 . 强制编译器生成默认构造

无参构造

c 复制代码 
vector() = default;

2 . 拷贝构造

c 复制代码 
//v2(v1);
vector(const vector<T>& v)
{
	//提前预开空间，避免边尾插边扩容
	reserve(v.capacity());

	for (auto e : v)
	{
		//this->push_back(e);
		push_back(e);
	}
}

3. 用迭代器区间初始化

3.1 一个类模版的成员函数可以写成函数模版 。

3.2 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。

c 复制代码 
template <class InputIterator>
vector(InputIterator first, InputIterator last)
{
	while (first != last)
	{
		push_back(*first);
		++first;
	}
}

4. 用n个val值构造

c 复制代码 
vector(size_t n, const T& val = T())
{
	reserve(n);

	for (size_t i = 0; i < n; i++)
	{
		push_back(val);
	}
}

vector(int n, const T& val = T())
{
	reserve(n);

	for (size_t i = 0; i < n; i++)
	{
		push_back(val);
	}
}

具体使用：

c 复制代码 
//初始化3个空
vector<string> v1(3);

//初始化为3个xx
vector<string> v2(3, "xx");

//初始化为3个1
vector<int> v3(3, 1);//err 非法的间接寻址.参数匹配问题
vector<int> v3(3u, 1);//ok

//如果非要这样传参数，就需要再重载一个构造
vector<int> v3(3, 1);

4.1 为什么要重载两个类似的构造？

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。

4.2 T()是什么？

T()是缺省值，注意这里不能给0，因为T可能为自定义类型，当T为内置类型的时候，也ok。因为C++对内置类型进行了升级，也有构造，为了兼容模版。

5. initializer_list 的构造

5.1. C++11新增的类模板initializer_list，方便初始化 。

5.2. 它的内部其实有两个指针 ，一个指向第一个值的位置，一个指向最后一个值的下一个位置，并且支持迭代器。

c 复制代码 
vector(initializer_list<T> il)
{
	reserve(il.size());

	for (auto e:il)
	{
		push_back(e);
	}
}

具体使用：
支持被花括号括起的任意个数的值给 initializer_list

c 复制代码 
auto il1 = { 1,3,4,5,6,7 };
initializer_list<int> il2 = { 1,2,3 };

//这里的隐式类型转换不一样，参数个数不固定
vector<int> v4 = { 7,8,9,4,5 };//隐式类型转换
vector<int> v5({ 4,5,6 });//直接构造

二，析构函数

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

三，关于迭代器

c 复制代码 
iterator begin()
{
	return _start;
}

iterator end()
{
	return _finish;
}

const_iterator begin()const
{
	return _start;
}

const_iterator end()const
{
	return _finish;
}

四，有关数据个数与容量

c 复制代码 
//计算有效数据个数
size_t size()const
{
	return _finish - _start;
}

//计算当前容量
size_t capacity()const
{
	return _end_of_storage - _start;
}

五，交换函数swap

与string类类似，依然调用库里的swap函数，进行指针的交换。

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

六，赋值拷贝

与string类的现代写法相同。

c 复制代码 
//赋值拷贝
//v3 = v1;
vector<T>& operator=(const vector<T> v)
{
	swap(v);
	return *this;
}

七，[ ]运算符

c 复制代码 
//[]运算符
T& operator[](size_t pos)
{
	//断言，避免下标越界
	assert(pos < size());

	return _start[pos];
}

八，预留空间(扩容)

c 复制代码 
void reserve(size_t n)
{
	//由于开空间后_start指向改变，所以要提前记录原来的有效数据个数
	//以便在新空间中更新_finish的位置
	size_t  old_size = size();

	if (n > capacity())
	{
		T* tmp = new T[n];//开新空间

		if (_start)
		{
			//memcpy(tmp, _start, sizeof(T) * old_size);
			for (size_t i = 0; i < old_size; i++)
			{
				//此时这里的赋值调用的是string的赋值，肯定是深拷贝
				tmp[i] = _start[i];
			}

			delete[] _start;//释放旧空间
		}

		_start = tmp;//改变指向，指向新空间

		//在新空间里更新_finish，_end_of_storage的位置
		_finish = _start + old_size;
		_end_of_storage = _start + n;
	}
}

8.1 使用memcpy拷贝问题(重点)

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？

c 复制代码 
int main()
{
	 bite::vector<bite::string> v;
	 v.push_back("2222");
	 v.push_back("2222");
	 v.push_back("2222");
 
 	return 0;
}

问题分析：

(1) memcpy是内存的二进制格式拷贝，按字节拷贝 ，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。

图解如下：

当把原空间里的"2222"拷贝进新空间后，delete会先对原空间的每个对象调用析构函数，再把原空间销毁，但是此时tmp仍指向那块空间，变成野指针了！

复用赋值进行修改后：

此时这里的赋值调用的是string的赋值，肯定是深拷贝

九，尾插和尾删数据

c 复制代码 
//尾插数据
void push_back(const T& x)
{
	if (_finish == _end_of_storage)
	{
		size_t newcapacity = capacity() == 0 ? 4 : capacity() * 2;
		reserve(newcapacity);
	}

	*_finish = x;
	++_finish;
}

//尾删
void pop_back()
{
	//断言，确保有数据可删
	assert(size() > 0);
	--_finish;
}

十，插入数据 insert

c 复制代码 
//void insert(iterator pos, const T& x)
iterator insert(iterator pos, const T& x)
{
	//断言，判断下标的有效性
	assert(pos >= _start && pos <= _finish);

	//判断是否扩容
	if (_finish == _end_of_storage)
	{
		size_t len = pos - _start;

		size_t newcapacity = capacity() == 0 ? 4 : capacity() * 2;
		reserve(newcapacity);

		//insert函数的内部迭代器失效问题：类似于野指针问题
		//扩容后pos位置失效，需要重新计算pos
		pos = _start + len;
	}
	//挪动数据再插入
	iterator end = _finish - 1;
	while (end >= pos)
	{
		*(end + 1) = *end;
		--end;
	}

	*(end + 1) = x;
	++_finish;

	//返回新插入那个位置的迭代器
	return pos;
}

十一，删除数据 erase

c 复制代码 
iterator erase(iterator pos)
{
	assert(pos >= _start && pos < _finish);

	iterator end = pos + 1;
	while (end != _finish)
	{
		*(end - 1) = *end;
		++end;
	}
	--_finish;

	//返回删除位置的下一个位置的迭代器
	return pos;
}

十二，insert和erase的迭代器失效问题(重点)

1. 什么是迭代器失效？

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)。

2. insert 的迭代器失效

2.1 insert 内部pos位置的失效

当刚好执行了扩容操作这一步时，由于要开辟新空间，拷贝数据，释放空间，改变空间指向。但是此时pos位置还在原空间，这就使pos变成了野指针，如果对该位置进行访问，就会导致程序崩溃。

所以在函数内部，扩容后我们要更新pos迭代器！

2.2 insert 以后外部的实参失效

演示代码如下：

c 复制代码 
void vector_test2()
{
	vector<int> v1;
	v1.push_back(1);
	v1.push_back(2);
	v1.push_back(3);
	v1.push_back(4);

	for (size_t i = 0; i < v1.size(); i++)
	{
		cout << v1[i] << " ";
	}
	cout << endl;

	//输入x，查找是否存在，如果存在，在该位置前插入10
	int x;
	cin >> x;
	vector<int>::iterator it = find(v1.begin(), v1.end(), x);
	
	//用返回值接收
	 it = v1.insert(it, 10);

	//建议失效后的迭代器不要访问，除非使用返回值。
	cout << *it << endl;

	for (size_t i = 0; i < v1.size(); i++)
	{
		cout << v1[i] << " ";
	}
	cout << endl;
}

insert以后it这个实参会不会失效呢？答案是：会的 。

在扩容的时候一定会导致迭代器失效。因为虽然在insert内部形参修正了，但是形参的改变不影响实参。

迭代器失效的建议是：不要使用失效的迭代器！

如果非要访问此时插入的那个位置，必须使用 insert 的返回值，返回的是新插入那个位置的迭代器 。

3. erase 以后的迭代器失效

erase 以后的迭代器失效问题比较复杂，它与平台相关。

代码演示如下：

c 复制代码 
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 it = find(v.begin(), v.end(), 3);
	 
	 // 删除it位置的数据，导致it迭代器失效。
	 //v.erase(it); // err
	
	 it = v.erase(it); // ok
	 cout << *it<< endl; // 此处会导致非法访问
	 
	 return 0;
}

erase 以后it这个实参会不会失效呢？答案是：会的。

erase删除pos位置元素后，it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it刚好是最后一个元素，删完之后it刚好是end的位置，而end位置是没有元素的，那么it就失效了 。或者说某个编译器有这样的机制：当删除到一定的数量时，会进行缩容处理，此时it也就相当于野指针了 。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，后面元素会牵扯到移动数据，因此删除元素后面的迭代器也会失效。

如果非要访问这个位置，也需要用返回值重新赋值，返回的是删除数据的下一个位置的迭代器！

以下代码的功能是删除vector中所有的偶数：

c 复制代码 
int main()
{
 vector<int> v{ 1, 2, 3, 4 };
 auto it = v.begin();
 
 while (it != v.end())
 {
	 if (*it % 2 == 0)
	 //v.erase(it); // err
	 it = v.erase(it); // ok
 
 	++it;
 }
 
 	return 0;
}

这个代码在VS平台下一定会运行崩溃！因为删除后it位置已经失效了，此时再对it进行访问(++操作或是解引用操作都是)会程序报错。

但是在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，所以正常运行。

注意：

  • 与vector类似，string在插入+扩容操作+erase之后，迭代器也会失效，但是string的插入一般由下标控制，虽然也重载了迭代器版本，但是并不常用。

综上所述，迭代器失效解决办法：在使用前，对迭代器重新赋值即可。

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