vector模拟实现

hehelm2026-04-18 15:36

迭代器失效

我们先实现一个简单的vector逻辑

复制代码 
#pragma once
#include<assert.h>
#include<iostream>
​
namespace bit
{
    template<class T>
    class vector
    {
    public:
        typedef T* iterator;
        typedef const T* const_iterator;
​
        iterator begin()
        {
            return _start;
        }
​
        iterator end()
        {
            return _finish;
        }
​
        const_iterator begin() const
        {
            return _start;
        }
​
        const_iterator end() const
        {
            return _finish;
        }
​
        vector()
            :_start(nullptr)
            , _finish(nullptr)
            , _endofstorage(nullptr)
        { }
​
        ~vector()
        {
            if (_start)
            {
                delete[] _start;
                _start = _finish = _endofstorage = nullptr;
            }
        }
​
​
​
        void reserve(size_t n)
        {
            if (n > capacity())
            {
                size_t sz = size();
                T* tmp = new T[n];
                if (_start)
                {
                    memcpy(tmp, _start, sizeof(T) * size());
                    delete[] _start;
                }
                _start = tmp;
                _finish = _start + sz;
                _endofstorage = _start + n;
​
            }
        }
​
        size_t capacity() const
        {
            return _endofstorage - _start;
        }
​
        size_t size() const
        {
            return _finish - _start;
        }
​
        T& operator[](size_t pos)
        {
            assert(pos < size());
            return _start[pos];
        }
​
        const T& operator[](size_t pos) const
        {
            assert(pos < size());
            return _start[pos];
        }
        
    private:
        iterator _start;
        iterator _finish;
        iterator _endofstorage;
    };
}

迭代器失效1-扩容

在此基础上增加push_back和insert

复制代码 
​
        void push_back(const T& x)
        {
            //if (_finish == _endofstorage)
            //{
            //  size_t newcapacity = capacity() == 0 ? 4 : capacity() * 2;
            //  reserve(newcapacity);
            //}
            //*_finish = x;
            //++_finish;
​
            insert(end(), x);
        }
​
        void insert(iterator pos, const T& x)
        {
            assert(pos >= _start && pos <= _finish);
​
            if (_finish == _endofstorage)
            {
                size_t newcapacity = capacity() == 0 ? 4 : capacity() * 2;
                reserve(newcapacity);
            }
​
            iterator end = _finish - 1;
​
            while (end >= pos)
            {
                *(end + 1) = *end;
                end--;
            }
​
            *pos = x;
            ++_finish;
        }

这里push_back在调用insert时，就会出现一个典型问题：迭代器失效

当push_back 调用insert时，若需要扩容，则会进入reserve()；

reserve()内部delete[]释放旧数组内存，_start指向新地址；

返回insert后，原来的pos位置（即旧finish的地址）已经指向被释放的内存，成为野指针，后续再对pos访问会导致未定义行为

解决方案：在可能引起扩容的操作之前，记录迭代器的相对位置（偏移量），扩容后重新计算新的迭代器。

复制代码 
        void insert(iterator pos, const T& x)
        {
            assert(pos >= _start && pos <= _finish);
​
            if (_finish == _endofstorage)
            {
                size_t offset = pos - _start;//记录pos相对位置
                
                size_t newcapacity = capacity() == 0 ? 4 : capacity() * 2;
                reserve(newcapacity);
​
                pos = _start + offset;//更新pos
            }
​
            iterator end = _finish - 1;
​
            while (end >= pos)
            {
                *(end + 1) = *end;
                end--;
            }
​
            *pos = x;
            ++_finish;
        }

此时解决了vector内部的迭代器失效问题，但是外部调用时，使用insert后迭代器仍可能失效（扩容）。

insert后不要再次使用形参迭代器。

C++标准库采用了iterator返回值方式来解决

复制代码 
        iterator insert(iterator pos, const T& x)
        {
​
            ...
    
            return pos;
        }

迭代器失效2-删除

接下来看一个删除的场景

复制代码 
        void erase(iterator pos)
        {
            assert(pos >= _start && pos < _finish);
​
            iterator it = pos + 1;
            while (it != _finish)
            {
                *(it - 1) = *it;
                it++;
            }
            --_finish;
        }

对erase进行调用

复制代码 
void test_2()
{
    bit::vector<int> v1;
    v1.push_back(1);
    v1.push_back(2);
    v1.push_back(3);
    v1.push_back(4);
    v1.push_back(5);
    
    for (auto e : v1)
    {
        cout << e << " ";
    }
    cout << endl;
​
    v1.erase(v1.begin() + 4); 
    
    //erase后，迭代器失效，vs强制检查访问
    
    auto it = v1.begin() + 4;
    v1.erase(it);
    cout << *it << endl;//未定义操作
    it--;//未定义操作
    cout << *it << endl;//未定义操作
​
​
}

erase后，it仍保留原来的内存地址，但这个地址已经不在容器有效范围内，it变成悬空迭代器；尽管--it后，仍能访问容器中的元素，但是在标准语义中，此时的it已经是失效迭代器，对it的任何操作都是未定义行为，尽管it可能和容器物理上紧邻。

vs中会强制检查erase后的迭代器，不允许对其再次访问

正确写法是返回迭代器

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

深浅拷贝

拷贝构造与复制拷贝

复制代码 
        //vector(const vector<T>& v)
        //  :_start(nullptr)
        //  , _finish(nullptr)
        //  , _endofstorage(nullptr)
        //{
        //  _start = new T[v.capacity()];
        //  memcpy(_start, v._start, sizeof(T) * size());
        //  _finish = _start + v.size();
        //  _endofstorage = _start + v.size();
​
        //}
​
        vector(const vector<T>& v)
            :_start(nullptr)
            , _finish(nullptr)
            , _endofstorage(nullptr)
        {
            reserve(v.capacity());
            for (auto e : v)
            {
                push_back(e);
            }
        }
​
        void swap(vector<T>& v)
        {
            std::swap(_start, v._start);
            std::swap(_finish, v._finish);
            std::swap(_endofstorage, v._endofstorage);
        }
​
        vector<T>& operator=(vector<T> v)
        {
            swap(v);
            return *this;
        }
​

复制拷贝使用了copy-and-swap 的典型实现

memcpy的拷贝问题

复制代码 
void reserve(size_t n)
{
    if (n > capacity())
    {
        size_t sz = size();
        T* tmp = new T[n];
        if (_start)
        {
            memcpy(tmp, _start, sizeof(T) * size());//memcpy
            delete[] _start;
        }
        _start = tmp;
        _finish = _start + sz;
        _endofstorage = _start + n;
​
    }
}
​
void test_4()
{
    bit::vector<string> v;
    v.push_back("111111");
    v.push_back("222222");
    v.push_back("333333");
    v.push_back("444444");
    v.push_back("555555");
​
    for (auto& e : v)
    {
        cout << e << " ";
    }
    cout << endl;
​
}

如果扩容采用memcpy，此时新内存tmp与原指针指向同一块地址空间；

delete[]后旧内存被释放，源string被析构，此时tmp的string对象指针变成了悬空指针；

当再次对vector析构时，会导致对同一块内存二次释放，程序崩溃。

事实上：memcpy只是对源内存区域的数据原封不动复制到目标区域，逐字节拷贝 ，对于内置类型没有问题，但无法处理自定义类型

改进方案：

复制代码 
void reserve(size_t n)
{
    if (n > capacity())
    {
        size_t sz = size();
        T* tmp = new T[n];
        if (_start)
        {
            //memcpy(tmp, _start, sizeof(T) * size());
            //memcpy逐字节拷贝，无法处理自定义类型
​
            for (size_t i = 0; i < size(); i++)
            {
                tmp[i] = _start[i];
            }
​
            delete[] _start;
        }
        _start = tmp;
        _finish = _start + sz;
        _endofstorage = _start + n;
​
    }
}

调用赋值运算符重载，实现对string的深拷贝

完整实现

复制代码 
#pragma once
#include<assert.h>
#include<iostream>
​
namespace bit
{
    template<class T>
    class vector
    {
    public:
        typedef T* iterator;
        typedef const T* const_iterator;
​
​
        iterator begin()
        {
            return _start;
        }
​
        iterator end()
        {
            return _finish;
        }
​
        const_iterator begin() const
        {
            return _start;
        }
​
        const_iterator end() const
        {
            return _finish;
        }
​
        vector(size_t n, const T& val = T())
            :_start(nullptr)
            , _finish(nullptr)
            , _endofstorage(nullptr)
        {
            resize(n, val);
        }
​
        vector()
            :_start(nullptr)
            , _finish(nullptr)
            , _endofstorage(nullptr)
        { }
​
        ~vector()
        {
            if (_start)
            {
                delete[] _start;
                _start = _finish = _endofstorage = nullptr;
            }
        }
​
        //vector(const vector<T>& v)
        //  :_start(nullptr)
        //  , _finish(nullptr)
        //  , _endofstorage(nullptr)
        //{
        //  _start = new T[v.capacity()];
        //  memcpy(_start, v._start, sizeof(T) * size());
        //  _finish = _start + v.size();
        //  _endofstorage = _start + v.size();
​
        //}
​
        vector(const vector<T>& v)
            :_start(nullptr)
            , _finish(nullptr)
            , _endofstorage(nullptr)
        {
            reserve(v.capacity());
            for (auto e : v)
            {
                push_back(e);
            }
        }
​
        void swap(vector<T>& v)
        {
            std::swap(_start, v._start);
            std::swap(_finish, v._finish);
            std::swap(_endofstorage, v._endofstorage);
        }
​
        vector<T>& operator=(vector<T> v)
        {
            swap(v);
            return *this;
        }
​
        void reserve(size_t n)
        {
            if (n > capacity())
            {
                size_t sz = size();
                T* tmp = new T[n];
                if (_start)
                {
                    //memcpy(tmp, _start, sizeof(T) * size());//memcpy逐字节拷贝，无法处理自定义类型
​
                    for (size_t i = 0; i < size(); i++)
                    {
                        tmp[i] = _start[i];
                    }
​
                    delete[] _start;
                }
                _start = tmp;
                _finish = _start + sz;
                _endofstorage = _start + n;
​
            }
        }
​
        size_t capacity() const
        {
            return _endofstorage - _start;
        }
​
        size_t size() const
        {
            return _finish - _start;
        }
​
        T& operator[](size_t pos)
        {
            assert(pos < size());
            return _start[pos];
        }
​
        const T& operator[](size_t pos) const
        {
            assert(pos < size());
            return _start[pos];
        }
​
        void pop_back()
        {
            erase(--end());
        }
​
        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;
                }
            }
        }
​
        void push_back(const T& x)
        {
            //if (_finish == _endofstorage)
            //{
            //  size_t newcapacity = capacity() == 0 ? 4 : capacity() * 2;
            //  reserve(newcapacity);
            //}
            //*_finish = x;
            //++_finish;
​
            auto it = insert(end(), x);
        }
​
        iterator insert(iterator pos, const T& x)
        {
            assert(pos >= _start && pos <= _finish);
​
            if (_finish == _endofstorage)
            {
                size_t offset = pos - _start;
                size_t newcapacity = capacity() == 0 ? 4 : capacity() * 2;
                reserve(newcapacity);
​
                pos = _start + offset;
            }
​
            iterator end = _finish - 1;
​
            while (end >= pos)
            {
                *(end + 1) = *end;
                end--;
            }
​
            *pos = x;
            ++_finish;
    
            return pos;
        }
​
        iterator erase(iterator pos)
        {
            assert(pos >= _start && pos < _finish);
​
            iterator it = pos + 1;
            while (it != _finish)
            {
                *(it - 1) = *it;
                it++;
            }
            --_finish;
            return pos;
        }
​
    private:
        iterator _start;
        iterator _finish;
        iterator _endofstorage;
    };
}
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【递归、搜索与回溯算法】专题四——综合练习
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