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全面剖析vector底层及实现机制
接上篇：【C++篇】探索STL之美：vector容器讲解_c++vector容器-CSDN博客
前言
Vector是C++标准模板库（STL）中提供的一种动态数组容器，能够高效管理元素的存储与操作。它具有自动扩容的特性，即在存储空间不足时会自动分配更大的内存，保证连续存储的同时提高了灵活性。Vector支持随机访问，拥有接近数组的访问速度，同时也提供了丰富的成员函数用于插入、删除、排序等操作，兼顾了灵活性与性能。
总之，Vector是C++开发中最常用的容器之一，因其高效、灵活、易用的特性，在处理动态数据时显得尤为重要。
1. 基本结构与初始化（具有不同种方式）
1.1 基本结构
Vector底层实现类似于动态数组，其内部通过一块连续的内存空间存储元素。主要成员包括：
- 指针数据（_start, _end, _end_of_storage）：分别指向当前元素的起始地址、末尾地址和存储空间的尾地址，用于跟踪已存储的元素和剩余空间。
- 动态扩容：当插入新元素超出当前容量时，Vector会申请更大的连续内存空间，并将现有元素复制到新空间中。扩容一般是以一定倍数增长（通常为2倍）。
1.2 带大小和默认值初始化构造函数
- 初始化一个给定大小的
vector，并使用默认值填充。 - 测试构造后大小、容量是否符合要求。
cpp
namespace W {
template<class T>
class vector {
public:
typedef T* iterator;
vector(size_t n, const T& value = T()) {
_start = new T[n];
_finish = _start + n;
_endOfStorage = _finish;
for (size_t i = 0; i < n; ++i) {
_start[i] = value; // 填充默认值
}
}
size_t size() const { return _finish - _start; }
size_t capacity() const { return _endOfStorage - _start; }
bool empty() const { return _start == _finish; }
T& operator[](size_t pos) { return _start[pos]; }
~vector()
{
if (_start)
{
delete[] _start;
_start = _finish = _endOfStorage = nullptr;
}
}
private:
iterator _start;
iterator _finish;
iterator _endOfStorage;
};
}测试用例：
cpp
void TestInitVector() {
W::vector<int> v(5, 10);
assert(v.size() == 5); // 验证大小
assert(v.capacity() == 5); // 验证容量
assert(!v.empty()); // 验证非空
for (size_t i = 0; i < 5; ++i) {
assert(v[i] == 10); // 验证默认值
}
std::cout << "TestInitVector passed" << std::endl;
}1.3 拷贝构造函数
- 实现
vector的拷贝构造函数。 - 测试拷贝后的
vector是否完全复制原来的内容和容量。
实现代码：
cpp
namespace W {
template<class T>
class vector {
public:
typedef T* iterator;
vector(const vector<T>& v) {
size_t n = v.size();
_start = new T[n];
_finish = _start + n;
_endOfStorage = _finish;
for (size_t i = 0; i < n; ++i) {
_start[i] = v._start[i]; // 复制数据
}
}
size_t size() const { return _finish - _start; }
size_t capacity() const { return _endOfStorage - _start; }
bool empty() const { return _start == _finish; }
T& operator[](size_t pos) { return _start[pos]; }
~vector()
{
if (_start)
{
delete[] _start;
_start = _finish = _endOfStorage = nullptr;
}
}
private:
iterator _start;
iterator _finish;
iterator _endOfStorage;
};
}测试用例：
cpp
void TestCopyVector() {
W::vector<int> v1(10, 20);
W::vector<int> v2(v1);
assert(v2.size() == 10); // 验证大小
assert(v2.capacity() == 10); // 验证容量
for (size_t i = 0; i < 10; ++i) {
assert(v2[i] == 20); // 验证数据拷贝
}
std::cout << "TestCopyVector passed" << std::endl;
}1.4 赋值操作符重载
- 实现赋值操作符重载。
- 测试两个
vector赋值后，是否正确拷贝了内容和容量。
cpp
namespace W {
template<class T>
class vector {
public:
typedef T* iterator;
vector<T>& operator=(const vector<T>& v) {
if (this != &v) {
delete[] _start; // 释放旧的空间
size_t n = v.size();
_start = new T[n];
_finish = _start + n;
_endOfStorage = _finish;
for (size_t i = 0; i < n; ++i) {
_start[i] = v._start[i]; // 复制数据
}
}
return *this;
}
size_t size() const { return _finish - _start; }
size_t capacity() const { return _endOfStorage - _start; }
bool empty() const { return _start == _finish; }
T& operator[](size_t pos) { return _start[pos]; }
~vector()
{
if (_start)
{
delete[] _start;
_start = _finish = _endOfStorage = nullptr;
}
}
private:
iterator _start;
iterator _finish;
iterator _endOfStorage;
};
}测试用例：
cpp
void TestAssignVector() {
W::vector<int> v1(15, 30);
W::vector<int> v2 = v1; // 赋值操作
assert(v2.size() == 15); // 验证大小
assert(v2.capacity() == 15); // 验证容量
for (size_t i = 0; i < 15; ++i) {
assert(v2[i] == 30); // 验证数据拷贝
}
std::cout << "TestAssignVector passed" << std::endl;
}2. 容器管理内存的实现与测试
2.1 reserve函数：动态扩容
实现代码：
cpp
namespace W {
template<class T>
class vector {
public:
void reserve(size_t n) {
if (n > capacity()) {
size_t oldSize = size();
T* tmp = new T[n];
for (size_t i = 0; i < oldSize; ++i) {
tmp[i] = _start[i];
}
delete[] _start;
_start = tmp;
_finish = _start + oldSize;
_endOfStorage = _start + n;
}
}
};
}测试用例：
cpp
void TestReserveVector() {
W::vector<int> v(5, 10);
v.reserve(10); // 预留容量
assert(v.capacity() == 10); // 验证容量扩展
for (size_t i = 0; i < 5; ++i) {
assert(v[i] == 10); // 验证数据保持不变
}
std::cout << "TestReserveVector passed" << std::endl;
}输出
TestReserveVector passed
2.2 resize函数：改变大小
用途
- 增加容器大小
当新的大小大于当前大小时，resize会在容器末尾添加新元素，新添加的元素会被默认值初始化（对于内置类型，默认值通常为0或空值）。
std::vector<int> vec = {1, 2, 3};
vec.resize(5); // vec变为 {1, 2, 3, 0, 0}
- 减少容器大小
当新的大小小于当前大小时，resize会移除多余的元素，只保留从起始位置算起的新大小的元素。
std::vector<int> vec = {1, 2, 3, 4, 5};
vec.resize(3); // vec变为 {1, 2, 3}
3.指定新元素的初始值
在扩容时，可以通过第二个参数指定新添加元素的初始值，而不是使用默认值。
std::vector<int> vec = {1, 2, 3};
vec.resize(5, 10); // vec变为 {1, 2, 3, 10, 10}
特点
- 不会影响容量（capacity） ：
resize只调整size（实际元素数量），不会改变容器的容量（底层分配的内存大小）。扩容时容量可能会增长，但缩小时容量不会减少。 - 元素保留特性：缩小时多余的元素会被移除，但未移除的元素保持不变；扩容时已存在的元素同样不受影响。
- 性能 ：
resize可能引起新元素的构造或旧元素的析构，因此需要注意其性能开销。
cpp
namespace W {
template<class T>
class vector {
public:
void resize(size_t n, const T& value = T()) {
if (n < size()) {
_finish = _start + n; // 缩小大小
} else {
reserve(n);
for (iterator it = _finish; it != _start + n; ++it)
{
*it = value; // 填充新值
}
_finish = _start + n;
}
}
};
}测试用例：
cpp
void TestResizeVector() {
W::vector<int> v(5, 10);
v.resize(8, 20); // 扩展大小并填充新值
assert(v.size() == 8); // 验证扩展后大小
for (size_t i = 0; i < 5; ++i) {
assert(v[i] == 10); // 验证原值不变
}
for (size_t i = 5; i < 8; ++i) {
assert(v[i] == 20); // 验证新值
}
std::cout << "TestResizeVector passed" << std::endl;
}3. 增加与删除元素
3.1 push_back 函数：向vector末尾插入元素
3.1.1 实现思路
- 检查容量是否足够，若不足则扩容（通常容量加倍）。
- 将新元素插入到当前末尾。
- 更新
_finish指针，指向新的末尾。
示例代码：
cpp
namespace W {
template<class T>
class vector {
public:
void push_back(const T& x) {
// 如果空间不足，扩展容量为当前容量的两倍
if (_finish == _endOfStorage) {
size_t newCapacity = capacity() == 0 ? 1 : capacity() * 2;
reserve(newCapacity);
}
// 在末尾插入新元素
*_finish = x;
++_finish;
}
private:
T* _start;
T* _finish;
T* _endOfStorage;
};
}测试用例：
cpp
void TestPushBackVector() {
W::vector<int> v;
v.push_back(1);
v.push_back(2);
v.push_back(3);
assert(v.size() == 3); // 验证插入后的大小
assert(v.capacity() >= 3); // 验证容量是否自动扩容
assert(v[0] == 1 && v[1] == 2 && v[2] == 3); // 验证插入的元素是否正确
std::cout << "TestPushBackVector passed" << std::endl;
}输出：
TestPushBackVector passed
3.2 **pop_back**函数：删除末尾元素
将_finish指针向后移动移动一位，即该指针指向的就是最后一个元素
示例代码：
cpp
namespace W {
template<class T>
class vector {
public:
void pop_back() {
assert(_finish != _start); // 确保vector非空
--_finish; // 逻辑删除最后一个元素
}
private:
T* _start;
T* _finish;
T* _endOfStorage;
};
}3.3 insert：在指定位置插入数据
实现思路
1 检查容量，不足扩容
2 将指定的数据从后往前挪动，空出该位置
3 将该位置插入指定数据
4 更新finish指针
实现代码：
cpp
namespace W {
template<class T>
class vector {
public:
T* insert(T* pos, const T& value) {
assert(pos >= _start && pos <= _finish); // 确保pos是有效指针
// 检查空间是否足够
if (_finish == _endOfStorage) {
size_t newCapacity = capacity() == 0 ? 1 : capacity() * 2;
size_t offset = pos - _start; // 记录插入位置
reserve(newCapacity); // 扩容
pos = _start + offset; // 更新插入位置
}
// 将插入位置之后的元素整体向后移动
for (T* it = _finish; it > pos; --it) {
*it = *(it - 1);
}
// 插入新元素
*pos = value;
++_finish;
return pos;
}
private:
T* _start;
T* _finish;
T* _endOfStorage;
};
}4 erase 函数：删除指定位置的元素
实现思路
1 循环将指定位置数据的后面每一位向前挪动
2 更新finish指针
实现代码：
cpp
namespace W {
template<class T>
class vector {
public:
T* erase(T* pos) {
assert(pos >= _start && pos < _finish); // 确保pos是有效指针
// 将pos之后的元素向前移动
for (T* it = pos; it < _finish - 1; ++it) {
*it = *(it + 1);
}
--_finish; // 更新_finish指针
return pos;
}
private:
T* _start;
T* _finish;
T* _endOfStorage;
};
}4. 查找元素
4.1 front函数：返回vector的第一个元素
实现代码：
cpp
namespace W {
template<class T>
class vector {
public:
T& front() {
assert(!empty()); // 确保vector非空
return *_start; // 返回第一个元素
}
private:
T* _start;
T* _finish;
T* _endOfStorage;
};
}测试用例：
cpp
void TestFrontVector() {
W::vector<int> v;
v.push_back(10);
assert(v.front() == 10); // 验证front
v.push_back(20);
assert(v.front() == 10); // 验证front不变
std::cout << "TestFrontVector passed" << std::endl;
}输出：
TestFrontVector passed
4.2 **back**函数：获取最后一个元素
实现代码：
namespace W {
template<class T>
class vector {
public:
T& back() {
assert(!empty()); // 确保vector非空
return *(_finish - 1); // 返回最后一个元素
}
private:
T* _start;
T* _finish;
T* _endOfStorage;
};
}
测试用例：
cpp
void TestBackVector() {
W::vector<int> v;
v.push_back(10);
assert(v.back() == 10); // 验证back
v.push_back(20);
assert(v.back() == 20); // 验证back变化
std::cout << "TestBackVector passed" << std::endl;
}5. 迭代器的实现
begin函数返回指向vector起始位置的迭代器（即指向第一个元素）。end函数返回指向vector末尾的迭代器（即指向最后一个元素的下一个位置）。- 两者结合可以用于遍历
vector中的元素。
实现代码：
cpp
namespace W {
template<class T>
class vector {
public:
typedef T* iterator;
iterator begin() {
return _start;
}
iterator end() {
return _finish;
}
private:
T* _start;
T* _finish;
T* _endOfStorage;
};
}测试用例：
cpp
void TestIteratorVector() {
W::vector<int> v;
v.push_back(10);
v.push_back(20);
v.push_back(30);
// 使用迭代器遍历 vector
for (W::vector<int>::iterator it = v.begin(); it != v.end(); ++it) {
std::cout << *it << " ";
}
std::cout << std::endl;
}输出：
10 20 30
6. swap函数：交换两个vector
用途：
swap函数用于交换两个vector的内容，包括它们的起始指针、结束指针和容量指针。swap函数是常用的优化操作，特别是在实现移动语义时能大大提高效率。
实现代码：
cpp
namespace W {
template<class T>
class vector {
public:
void swap(vector<T>& v) {
std::swap(_start, v._start);
std::swap(_finish, v._finish);
std::swap(_endOfStorage, v._endOfStorage);
}
private:
T* _start;
T* _finish;
T* _endOfStorage;
};
}测试用例：
cpp
void TestSwapVector() {
W::vector<int> v1;
W::vector<int> v2;
v1.push_back(1);
v1.push_back(2);
v2.push_back(3);
v2.push_back(4);
v1.swap(v2);
// 验证 v1 和 v2 交换后内容是否正确
for (auto e : v1) {
std::cout << e << " ";
}
std::cout << std::endl;
for (auto e : v2) {
std::cout << e << " ";
}
std::cout << std::endl;
}输出：
3 4
1 2
7. 赋值运算符重载：深拷贝vector
现代技术：拷贝并交换（Copy and Swap） 技术，这种技术可以减少重复代码并提高异常安全性。
实现代码：
cpp
namespace W {
template<class T>
class vector {
public:
//这里可以服用reserve和push_back函数了
vector(const vector<T>& v)
: _start(nullptr), _finish(nullptr), _endOfStorage(nullptr)
{
reserve(v.size()); // 分配所需空间
for (const T& elem : v) {
push_back(elem); // 拷贝每个元素
}
}
// 赋值操作符，使用拷贝并交换技术
vector<T>& operator=(vector<T> v) {
swap(v); // 调用 swap 函数交换内容
return *this;
}
// swap 函数
void swap(vector<T>& v) {
std::swap(_start, v._start);
std::swap(_finish, v._finish);
std::swap(_endOfStorage, v._endOfStorage);
}
// 其他成员函数同之前实现...
private:
T* _start;
T* _finish;
T* _endOfStorage;
};
}测试用例：
cpp
void TestCopyAndAssignVector() {
// 测试拷贝构造函数
W::vector<int> v1;
v1.push_back(1);
v1.push_back(2);
v1.push_back(3);
W::vector<int> v2(v1); // 使用拷贝构造函数
for (size_t i = 0; i < v2.size(); ++i) {
assert(v2[i] == v1[i]); // 验证每个元素是否相同
}
// 测试赋值操作符
W::vector<int> v3;
v3 = v1; // 使用赋值操作符
for (size_t i = 0; i < v3.size(); ++i) {
assert(v3[i] == v1[i]); // 验证每个元素是否相同
}
std::cout << "TestCopyAndAssignVector passed" << std::endl;
}现代写法解释 ：
传值参数：通过传递 vector<T> 的值作为参数，创建一个临时对象 v。调用拷贝构造函数时自动执行拷贝，然后在赋值操作中与现有对象交换内容。传值是安全的，避免了手动内存管理问题。
swap：通过交换数据成员 _start、_finish 和 _endOfStorage，避免手动内存释放，简化代码逻辑。交换后的临时对象 v 离开作用域时自动销毁，保证资源释放。
8. vector容器特性总结
- 动态大小
-
可以根据需要动态调整大小，而无需预定义固定容量，避免内存浪费。
-
自动处理底层内存分配和扩展。
- 随机访问性能优秀
- 支持常数时间的随机访问，类似于数组，便于快速读取和修改元素。
- 便捷的插入和删除操作
-
支持尾部插入/删除操作，时间复杂度为O(1)。
-
通过
erase和insert等方法，支持中间位置的元素操作，虽然复杂度为O(n)，但提供了便利。
- 内存管理
- 自动管理底层内存，不需要开发者手动分配或释放内存，减少内存泄漏的风险。
- 支持迭代器
- 提供灵活的迭代器支持，可以轻松遍历、修改元素，并与其他STL算法结合使用。
- 多功能性
-
可以存储不同类型的对象，包括用户定义类型。
-
提供了丰富的操作函数，例如排序、搜索等。
- 与C++标准库兼容性高
- 与标准库中的其他容器（如
map、set）和算法无缝集成，形成强大的工具组合。
- 性能优化
- 在扩容时，底层内存分配采用指数增长策略（通常为两倍），减少了频繁的重新分配操作
这些特点使vector在需要灵活、动态数组的场景中非常实用，例如处理未知大小的输入数据或需要高效随机访问的场景。
相信通过这篇文章你对C++STL->vector的使用高级部分的有了初步的了解。如果此篇文章对你学习C++有帮助，期待你的三连，你的支持就是我创作的动力！！！
下一篇文章再会.