【C++】vector容器实现

目录

一、vector的成员变量

二、vector手动实现

（1）构造

（2）析构

（3）尾插

（4）扩容

[（5）[ ]运算符重载](#（5）[ ]运算符重载)

[5.1 迭代器的实现：](#5.1 迭代器的实现：)

（6）尾删

（7）插入

（8）删除

（9）迭代器失效

[9.1 reserve扩容迭代器失效](#9.1 reserve扩容迭代器失效)

[9.2 insert后迭代器失效](#9.2 insert后迭代器失效)

[9.3 erase迭代器失效](#9.3 erase迭代器失效)

（10）resize初始化

（11）普通拷贝构造

（12）=运算符重载拷贝构造

三、其他构造方法

（一）initializer_list初始化

（二）迭代器初始化

四、动态二维数组

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vector的开始也代表STL学习的开始。接下来将讲解如何手动实现部分vector常用接口。

希望在看下面文章之前已经对string类的实现比较了解，或者看过我之前描述string类实现的文章，这样对理解vector会比较友好。

正文：

一、vector的成员变量

vector学习时一定要学会查看文档https://cplusplus.com/reference/vector/vector/，vector在实际中非常的重要，我们熟悉常见的接口就可以。

下面就不带大家看整个vector源码了，只截取了它成员变量在底层如何声明的小部分原码

下图可知vector原码核心成员变量就三个迭代器，迭代器跳转过去其实也是个typedef原生指针（和string类似）所以三个变量就是三个指针。再去看构造函数，它把三个指针初始化成空（不展示），那么之前数组都有大小，vector没有直接给出就进一步去看原码怎么算大小和容量的（不展示）。下面实现就模仿库的形式也定三个迭代器变量。

二、vector手动实现

类模版的声明和定义一般写在同一个文件下。创建一个vector.h（类实现过程）和test.cpp（接口测试），为了防止出现命名冲突，我外层套了一层命名空间zss，大家练习过程中可以不套。

下面是模拟原码实现的vector基础框架，成员就三个迭代器，vector本身是个顺序结构_start代表整个数组，_finish指向最后一个数据的下一个位置，_end_of_storage表示整个数组空间大小。

（1）构造

由于我们在声明的时候三个指针都给了缺省值nullptr，只要给缺省值了，用户不传参初始化列表会直接用缺省值初始化三个成员变量，所以我们提供的构造可以什么都没有。虽然什么都没有但是不能直接删掉，因为如果实现其他构造函数，要初始化三个指针还是得先走初始化列表。

（2）析构

到时候插入数据是需要自己手动new申请一段数组空间的，自己申请的空间析构也要对应匹配delete[ ]清理数据，并把指针置为空。

（3）尾插

push_back尾插之前必须确保有足够大的空间进行尾插数据，如果没有就进行空间的扩容，而要获取到数组空间大小用capacity()函数返回，顺便把size也求一下。由于扩容这一操作后面会经常使用所以封装成一个函数。

（4）扩容

reserve扩容采取深拷贝的思想，先开一段足够大小的tmp新空间，memcpy将旧空间数据一个字节一个字节拷给新空间，再将旧空间_start释放掉，把新空间tmp赋值给_start（reserve函数调用结束tmp自动销毁）最后更新一下_finish和_end_of_storage数据。

这里要注意的点是size()大小问题，大家看我还要再定个oldsize 变量存size()大小可能感到很奇怪，上面不是已经实现了size()函数，已经可以获取到数组大小了吗，怎么还多此一举存一下。

这里涉及到拷贝后_finish大小报错问题：

一开始我们计算的size()大小是还没替换空间前size的大小，替换空间后_start已经不再是原来空间而size却还是原来空间，两个不同空间的指针相加是会报错的，所以要用oldsize 变量存size()大小，这样_finish = _start + oldsize加的大小才是正确的。

（5）[ ]运算符重载

在数组的遍历中，最常用的就是[ ]、迭代器和范围for。内置类型下标遍历转换为解引用，自定义类型要实现下标遍历得重载运算法。有时候打印的数据具有常性不允许改变需要调用const版本，所以下面也实现了个const版本。

\]的实现：  #### 5.1 迭代器的实现： 迭代器的实现也有分普通类型和const类型，const类型迭代器并不是在迭代器前面加个const就行，这是限制迭代器本身不能改变，而我们要的是数据不能改变，所以要typedef提供一个新的迭代器类型。  迭代器的行为是模拟指针并不代表它就是指针  使用：  范围for遍历： 范围for看起来很高大上，很便利，其实底层是依靠迭代器的实现，只要实现了迭代器范围for直接用。所以变层看似有\[ \]、迭代器和范围for三种遍历方式，实际上只有\[ \]和迭代器。  ### （6）尾删 pop_back尾删很简单，想象一下数组尾删是不是只要改变数组个数就好，同理vector尾删--_finish就行，到时候插入也是从_finish位置重新覆盖插入。  ### （7）插入 insert在任意位置插入一个元素，只要和插入有关都先考虑内存够不够问题，不够扩容。 如果是在中间插入是要把pos位置及之后数据向后移动一位再进行插入，移动利用迭代器更高效。  ### （8）删除 erase删除pos位置元素，同样利用迭代器将数据移动覆盖，最后--_finish个数。 要注意的是erase返回值还是一个迭代器，这是为了防止迭代器失效问题。  ### （9）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)。 对于vector可能会导致其迭代器失效的操作有：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。 #### 9.1 reserve扩容迭代器失效 第一张图代码是一开始正常逻辑没修改过的代码，reserve内部会开新空间然后拷贝赋值销毁，通过调试看到，原本指向上面空间的_start指针指向了下面新开的空间，这些都很合理，但是insert在pos位置插入数据，这个pos还指向被销毁了的原空间，当下面while循环时it在新空间内向左移动找旧pos是永远找不到的。 遇到这种问题，要更新迭代器让pos指向新空间的原始位置，怎么计算就是：一开始要算出pos距离首元素大小，等扩容完了更新，请看第二张代码图。   #### 9.2 insert后迭代器失效 VS默认insert后迭代器全部失效，这条没有解决办法，唯一的办法就是：别用！！！  #### 9.3 erase迭代器失效 通过以下部分代码演示：删除数组中的所有偶数，在删除的过程中++it会使判断条件被跳过 图二：erase内部删除pos位置元素，后面元素会自动向前移一位，这时3覆盖2，但++it使3被跳过判断了。 图三：如果偶数在最后一个呢？_finish覆盖4，但又++it使结束条件直接跳过，野指针访问  图一 图二 图三 以上情况也是更新一下迭代器就行，erase有返回值只要重新接收返回值就OK  ### （10）resize初始化 resize的改变会影响数组的数据个数，数据不够就插入，太多就删数据，不够还空间不足就扩容+插入  第二个参数不是必须给的，当用户没给第二个参数时匿名对象初始化；int就是0，指针就nullptr  ### （11）普通拷贝构造 有两种写法v2(v1)和v2=v1，这两种都可以考虑复用写过的代码实现  ### （12）=运算符重载拷贝构造  现代写法： 一种很妙的写法，通过参数传递的浅拷贝思想和swap实现。v里面的数据等函数运行结束自动销毁，而我们想要的已经通过\*this返回了。  ## 三、其他构造方法 ### （一）initializer_list初始化 下面写法大家在刷题时是不是经常看到，这是C++11的一种构造方式，专门用于支持花括号 {} 初始化语法。它提供了一种统一的方式来初始化各种容器和自定义类型。 用法：  实现：复用reserve和push_back  ### （二）迭代器初始化 迭代器初始化引入了一个新概念，类模板的成员函数也可以是模板，这样不用固定整个类的迭代器，任意类型的迭代器都可以初始化了。 实现：还是复用了push_back，使整体代码更简洁  ## 四、动态二维数组 vector\\>它本质上是一个二维动态数组，模版变量可以是任何类型的指针，当然也可以是vector\\*指针类型。 想象 vector\\> 就像一组可以伸缩的抽屉柜： **外层 vector：**这是一个大柜子，里面可以放很多抽屉（每个抽屉就是一个 vector\） **每个内层 vector：**每个抽屉里可以放很多整数（int），而且每个抽屉的大小可以不一样  案例：力扣------杨辉三角  **与静态数组对比的好处：** 静态数组（如 int arr\[3\]\[4\]）：大小固定、每行长度必须相同、内存连续 vector\\>：大小可变、每行长度可以不同、内存不一定完全连续（外层连续，内层各自连续） 完整vector手动实现代码如下： ```cpp #pragma once #include #include using namespace std; namespace zss { template class vector { public: typedef T* iterator; //const 迭代器 typedef const T* const_iterator; size_t capacity()const { return _end_of_storage - _start; } size_t size()const { return _finish - _start; } //迭代器 iterator begin() { return _start; } iterator end() { return _finish; } //const迭代器 const_iterator begin()const { return _start; } const_iterator end()const { return _finish; } //1.构造 //这玩意什么都不写也不能因为在声明给缺省值就删掉 //因为自己实现了拷贝构造或者其他构造删掉就不是自动生成了 //可能我们自己也会写其他构造initialize_list，允许用 { } 初始化对象 vector() {} //13.initializer_list初始化 vector(initializer_list il) { //走初始化列表把三个指针初始化了然后直接开空间尾插 reserve(il.size()); for (auto& e : il) { push_back(e); } } //14.迭代器初始化 //类模板的成函数模板，这样不用类的迭代器，任意迭代器都可以 template vector(InputIierator first, InputIierator end) { while (first != end) { push_back(*first); ++first; } } //2.析构 ~vector() { delete[] _start; _start = _finish = _end_of_storage = nullptr; } //3.尾插 void push_back(const T& x) { if (_finish == _end_of_storage) { //扩容 //没有容量就通过capacity()函数获取一个 reserve(capacity() == 0 ? 4 : capacity() * 2); } *_finish = x; ++_finish; } //4.扩容 void reserve(size_t n) { //可能reserve被单独调用所以再判断一次容量 if (n > capacity()) { //这里原本_start、_finish、_end_of_storage都指向同一块空间 //拷贝了_start指向新的空间，你用两个不同空间指针相减不可能得到size //所以更新前保存一下size() size_t oldsize = size(); T* tmp = new T[n]; //memcpy(tmp, _start, sizeof(T) * oldsize); //自定义类型string不能用memcpy，会指向同一块空间释放多次 for (int i = 0; i < oldsize; i++) { tmp[i] = _start[i]; } delete[] _start; _start = tmp; _finish = _start + oldsize; _end_of_storage = _start + n; } } //5.[] T& operator[](size_t i) { assert(i < size()); return _start[i]; } //6.const[] const T& operator[](size_t i)const { assert(i < size()); return _start[i]; } //7.尾删 void pop_back() { assert(_finish > _start); --_finish; } //8.插入 void insert(iterator pos, const T& x) { assert(pos >= _start); assert(pos <= _finish); //扩容 if (_finish == _end_of_storage) { size_t len = pos - _start; reserve(capacity() == 0 ? 4 : capacity() * 2); pos = _start + len; } //插入，因为是迭代器不存在没有小于0的情况 iterator it = _finish - 1; while (it >= pos) { *(it + 1) = *it; --it; } *pos = x; ++_finish; } //9.删除元素 iterator erase(iterator pos) { assert(pos >= _start); assert(pos <= _finish); iterator it = pos + 1; while (it < _finish) { *(it - 1) = *it; ++it; } _finish--; return pos; } //10.迭代器失效处理 //11.resize void resize(size_t n, const T& val = T()) { if (n < size()) _finish = _start + n; else { reserve(n); while (_finish != _start + n) { *_finish = val; ++_finish; } } } //12.拷贝构造v2(v1) vector(const vector& v) { reserve(v.size()); for (auto& e : v) { push_back(e); } } //v2=v1 //vector& operator=(const vector& v) //{ // if (this != &v) // { // //如果有值先释放掉 // delete[] _start; // _start = _finish = _end_of_storage = nullptr; // //开新的空间 // reserve(v.size()); // //拷贝数据 // for (auto& e : v) // { // push_back(e); // } // } // return *this; //} //现代写法 void swap(vector& v) { std::swap(v._start, _start); std::swap(v._finish, _finish); std::swap(v._end_of_storage,_end_of_storage); } vector& operator=(vector v) { swap(v); return *this; } private: //模拟STL库的实现 iterator _start=nullptr; iterator _finish=nullptr; iterator _end_of_storage=nullptr; }; } ``` *** ** * ** *** 下次继续一起学习，感谢观看\~