C++ Vector的模拟实现

深情汤姆2024-06-23 11:30

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。

参考侯捷老师《STL源码刨析》这本书画的：

Vector的一些接口：

cpp 复制代码 
namespace MyVector
{
	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;

        iterator begin();
        iterator end();
        
        const_iterator cbegin() const;
        const_iterator cend() const;   

        // 初始化
        vector();
        // 析构
        ~vector();

        vector(int n, const T& value = T());
        vector(size_t n, const T& val = T());

        //类模板的成员函数可以是函数模板
        template<class InputIterator>
        vector(InputIterator first, InputIterator last);

        vector(const vector<T>& v);
        vector<T>& operator= (vector<T> v);
        
        size_t size() const;
        size_t capacity() const;

        void reserve(size_t n);
        void resize(size_t n, const T& value = T());
        
        T& operator[](size_t pos);
        const T& operator[](size_t pos)const;
        
        bool empty();
        void push_back(const T& x);
        void pop_back();

        void swap(vector<T>& v);
    
        iterator insert(iterator pos, const T& x);
        iterator erase(iterator pos);

        private:

        iterator _start = nullptr; // 指向数据块的开始

        iterator _finish = nullptr; // 指向有效数据的尾

        iterator _endOfStorage = nullptr;// 指向存储容量的尾

    };
}

iterator begin()

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

iterator end()

cpp 复制代码 
        iterator end()
        {
            return _finish;
        }

const_iterator cbegin()

cpp 复制代码 
        const_iterator cbegin()
        {
            return _start;
        }

const_iterator cend() const

cpp 复制代码 
        const_iterator cend() const
        {
            return _finish;
        }

四个比较简单的迭代器

vector()

cpp 复制代码 
        vector()
            :_start(nullptr)
            ,_finish(nullptr)
            , _endOfStorage(nullptr)
        {}

~vector()

cpp 复制代码 
        ~vector()
        {
            delete[] _start;
            _start = _finish = _endOfStorage;
        }

初始化与析构

cpp 复制代码 
        //类模板的成员函数可以是函数模板
        template<class InputIterator> // InputIterator定义的一个迭代器类型

        vector(InputIterator first, InputIterator last)
            :_start(nullptr)
            , _finish(nullptr)
            , _endOfStorage(nullptr)
        {
            while (first != last)
            {
                push_back(*first);
                ++first;
            }
        }

vector<T>& operator= (vector<T> v)

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

// v1 = v3

size_t size() const

cpp 复制代码 
        size_t size() const
        {
            return _finish - _start;
        }

// 有效数据的尾减去数据块的开始就是元素个数

size_t capacity() const

cpp 复制代码 
        size_t capacity() const
        {
            return _endOfStorage - _start;
        }

// 开辟空间的容量

void reserve(size_t n)

cpp 复制代码 
        void reserve(size_t n)
        {
            if (n > capacity())
            {
                T* tmp = new T[n];
                size_t old_size = size();
                for (size_t i = 0; i < old_size; i++)
                {
                    tmp[i] = _start[i]; // 深拷贝

                }
                delete[] _start;

                _start = tmp; // 老的_start已经失效，更新一下
                _finish = tmp + old_size;
                _endOfStorage = tmp + n;
            }
        }

void resize(size_t n, const T& value = T())

cpp 复制代码 
        void resize(size_t n, const T& value = T())
        {
            if (n > size()) // 超过就扩容
            {
                reserve(n);
                while (_finish < _start + n)
                {
                    *_finish = value;
                    ++_finish;
                }
            }
            else
            {
                _finish = _start + n;
            }
        }

vector(const vector<T>& v)

cpp 复制代码 
        vector(const vector<T>& v)
        {
            reserve(v.capacity());
            for (auto& e : v)
            {
                push_back(e);
            }
        }

// v2(v1) 用已经存在的 v1 去初始化 v2

T& operator[](size_t pos)

const T& operator[](size_t pos)const

cpp 复制代码 
        T& operator[](size_t pos)
        {
            assert(pos < size()); // 保证下标为有效数据
            return _start[pos];
        }

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

iterator insert(iterator pos, const T& x)

cpp 复制代码 
        iterator insert(iterator pos, const T& x)
        {
            assert(pos >= _start);
            assert(pos <= _finish);
            if (_finish == _endOfStorage)
            {
                size_t len = pos - _start;
                reserve(capacity() == 0 ? 4 : 2 * capacity());

                //如果扩容了要更新pos
                pos = _start + len;
            }
            iterator it = _finish - 1;
            while (it >= pos)
            {
                *(it + 1) = *it;
                --it;
            }
            *pos = x;
            ++_finish;
        }

iterator erase(iterator pos)

cpp 复制代码 
        iterator erase(iterator pos)
        {
            assert(pos >= _start);
            assert(pos <= _finish);
            iterator it = pos + 1;
            while (it < _finish)
            {
                *(it - 1) = *it;
                --it;
            }
            --_finish;
            return pos;
        }

vector(int n, const T& value = T())

cpp 复制代码 
        vector(int n, const T& value = T())
        {
            reserve(n);
            for (size_t i = 0; i < n; i++)
            {
                push_back(value);
            }
        }

vector(size_t n, const T& val = T())

cpp 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);
            }
        }

bool empty()

cpp 复制代码 
        bool empty()
        {
            return _start == _finish;
        }

void push_back(const T& x)

cpp 复制代码 
        void push_back(const T& x)
        {
            insert(end(), x);
        }

void pop_back()

cpp 复制代码 
        void pop_back()
        {
            erase(end() - 1);
        }

void swap(vector<T>& v)

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

完整代码：

cpp 复制代码 
#pragma once

#include <assert.h>

namespace bit
{
	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;

        iterator begin()
        {
            return _start;
        }

        iterator end()
        {
            return _finish;
        }

        const_iterator cbegin()
        {
            return _start;
        }

        const_iterator cend() const
        {
            return _finish;
        }


        // construct and destroy

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

        vector(int n, const T& value = T())
        {
            reserve(n);
            for (size_t i = 0; i < n; i++)
            {
                push_back(value);
            }
        }

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


        //类模板的成员函数可以是函数模板
        template<class InputIterator>

        vector(InputIterator first, InputIterator last)
            :_start(nullptr)
            , _finish(nullptr)
            , _endOfStorage(nullptr)
        {
            while (first != last)
            {
                push_back(*first);
                ++first;
            }
        }


        vector(const vector<T>& v)
        {
            reserve(v.capacity());
            for (auto& e : v)
            {
                push_back(e);
            }
        }

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

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


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

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

        void reserve(size_t n)
        {
            if (n > capacity())
            {
                T* tmp = new T[n];
                size_t old_size = size();
                for (size_t i = 0; i < old_size; i++)
                {
                    tmp[i] = _start[i];

                }
                delete[] _start;

                _start = tmp;
                _finish = tmp + old_size;
                _endOfStorage = tmp + n;
            }
        }

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





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

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


        bool empty()
        {
            return _start == _finish;
        }

        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 >= _start);
            assert(pos <= _finish);
            if (_finish == _endOfStorage)
            {
                size_t len = pos - _start;
                reserve(capacity() == 0 ? 4 : 2 * capacity());

                //如果扩容了要更新pos
                pos = _start + len;
            }
            iterator it = _finish - 1;
            while (it >= pos)
            {
                *(it + 1) = *it;
                --it;
            }
            *pos = x;
            ++_finish;
        }

        iterator erase(iterator pos)
        {
            assert(pos >= _start);
            assert(pos <= _finish);
            iterator it = pos + 1;
            while (it < _finish)
            {
                *(it - 1) = *it;
                --it;
            }
            --_finish;
            return pos;
        }

    private:

        iterator _start = nullptr; // 指向数据块的开始

        iterator _finish = nullptr; // 指向有效数据的尾

        iterator _endOfStorage = nullptr;// 指向存储容量的尾

    };

}

测试代码：

cpp 复制代码 
#include <iostream>
#include<algorithm>
#include<vector>

#include "Vector.h"

using namespace std;

int main()
{
	vector<int> v;
	v.push_back(1);
	v.push_back(2);
	v.push_back(3);
	v.push_back(4);
	v.push_back(5);
	cout << v.size() << endl;
	cout << v.capacity() << endl;
	for (size_t i = 0; i < v.size(); i++)
	{
		cout << v[i] << " ";
	}
	cout << endl;

	for (auto e : v)
	{
		cout << e << " ";
	}
	cout << endl;

	v.reserve(30);
	cout << v.capacity() << endl;
	vector<int>::iterator it = v.begin();
	while (it != v.end())
	{
		cout << *it << " ";
		++it;
	}
	cout << endl;

	vector<int> v1(v);
	v1.push_back(100);
	v1.push_back(200);
	v1.pop_back();
	for (auto e : v1)
	{
		cout << e << " ";
	}
}
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