【C++系列】 STL中的vector用法详解及模拟实现

一.vector的介绍及使用

vector的文档介绍

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（deques, lists and forward_lists）， 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lists和 forward_lists统一的迭代器和引用更好

二、模拟实现

1.成员

private:
	T* _start;
	T* _finish;
	T* _eos;

在这里采用三个指针的方式来实现，如图

_start 指向空间的起始位置
_finish 指向最后一个元素的末位置
_eos 指向空间的末位置

2.构造函数部分

	Vector() 
		:_start(nullptr)
		, _finish(nullptr)
		, _eos(nullptr)
	{}
	Vector(size_t n,const T& val) //带参构造
		:_start(nullptr)
		, _finish(nullptr)
		, _eos(nullptr)
	{
		resize(n, val);
	}
	Vector(const Vector<T>& v) //拷贝构造 ，先增容
		:_start(nullptr)
		, _finish(nullptr)
		, _eos(nullptr)
	{
		reserve(v.capacity());
		iterator it = begin();
		const_iterator vit = v.begin();
		while (vit != v.end())
		{
			*it++ = *vit++;
			++_finish;
		}
	}
	Vector<T>& operator=(Vector<T> v) //复用拷贝构造
	{
		Swap(v);
		return *this;
	}
	void Swap(Vector<T>& v)
	{
		swap(_start, v._start);
		swap(_finish,v._finish);
		swap(_eos,v._eos);
	}
	~Vector()
	{
		delete[] _start;
		_start = _finish = _eos = nullptr;
	}

3.大小

size（） 有效元素个数 ：_finish - _start 正好为元素个数
capacity() 空间大小 ：_eos - _start

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

4.增容相关

capacity的代码在vs和g++下分别运行会发现，vs下capacity是按1.5倍增长的，g++是按2倍增长的。
这个问题经常会考察，不要固化的认为，顺序表增容都是2倍，具体增长多少是根据具体的需求定义 的。
vs是PJ版本STL，g++是SGI版本STL。
reserve只负责开辟空间，如果确定知道需要用多少空间，reserve可以缓解vector增容的代价缺陷问 题。
resize在开空间的同时还会进行初始化，影响size。

void resize(size_t n,const T&val=T())
	{
		if (n > capacity())
		{
			reserve(n);
		}
		if (n > size())
		{
			iterator it = end();
			while (it != _start + n)
			{
				*it = val;
				++it;
			}
		}
		_finish = _start + n;

	}
	void reserve(size_t n)

	{
		size_t oldsize = size();
		if (n > capacity())//开辟空间
		{
			T* tmp = new T[n];

			//拷贝内容 
			//注意这里用深拷贝
			for (size_t i = 0; i < size(); i++)
			{
				tmp[i] = _start[i];
			}
			//释放原来空间
			delete[] _start;

			_start = tmp;
			_finish = _start + oldsize;
			_eos = _start + n; 
		}
	}
	

5.迭代器问题

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：
1.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
2. 指定位置元素的删除操作–erase
erase删除pos位置元素后，pos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pos刚好是最后一个元素，删完之后pos刚好是end的位置，而end位置是没有元素的，那么pos就失效了。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。
迭代器失效解决办法：在使用前，对迭代器重新赋值即可

    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;
	}

6.插入删除

这里插入删除返回的都是当前位置迭代器

   void push_back(const T& val)
	{
		//if (_finish==_eos)
		//{
 	//		size_t newc = (_start == nullptr) ? 1 : 2 * capacity();
		//	reserve(newc);//增容
		//}
		//*_finish = val;
		//++_finish;
		insert(end(), val);
	}
	void pop_back()
	{
		erase(end() - 1);
	}
	iterator erase(iterator pos)
	{
		assert(pos >= begin() && pos < end());
		iterator it = pos+1;
		while (it!=end())
		{
			*(it-1) = *(it);
			it++;
		}
		--_finish;
		return pos;
	
	}
	iterator insert(iterator pos, const T& val)
	{
		size_t offset = pos - _start;
		assert(pos >= begin() && pos <= end());
		if (_finish == _eos)
		{
			size_t newc = (_start == nullptr) ? 1 : 2 * capacity();
			reserve(newc);
		}
		pos = _start + offset;
		iterator it = end();
		while(pos != it)
		{
			*it = *(it - 1);
			it--;
		}
		*pos = val;
		_finish++;
		return pos;
	}

7.随机访问

确保在有效范围内，调用 [ ]即可。

T& operator[](size_t pos)
	{
		assert(pos >= 0 && pos < size());
		return _start[pos];
	}
	const T& operator[](size_t pos) const
	{
		assert(pos >= 0 && pos < size());
		return _start[pos];
	}