【C++学习】vector的使用及模拟实现
作者：一只大喵咪1201
专栏：《C++学习》
格言：你只管努力，剩下的交给时间！
vector的使用及模拟实现
- 构造函数
-
- 模拟实现
- vector的扩容机制
- 模板参数推演
- vector与容量有关的接口
- vector的常用接口
-
- 查
-
- find
- 增
- 删
- 改
- 迭代器失效问题
- 更深层次的深拷贝
- 总结
在学习了string以后，我们对模板有了一定的了解，下面本喵来给大家介绍一下STL模板中的vector。
vector其实就是顺序表，它是在管理数组，并且它是一个类模板，可以实例化为不同类型的类，来供我们使用。STL标志模板库给我们提供了很多的成语函数接口来供我们使用，使我们编程的效率大大提高。
本喵在介绍它使用的同时，也会讲解它的底层原理，来模拟实现它，好让我们对vector有一个更深的了解。
构造函数
官方库中提供上图所示的几种重载的构造函数，根据它们的函数声明就可以知道它们是如何使用的。
同样地，还提供了push_back函数来向vector中插入数据。
其中，形成类型const value_type&就是T&，T是模板参数，在实例化的时候可以是内置类型，也可以是自定义类型。
上图代码，向vector中插入数字，并且通过范围for打印出来。
- vector后的<>中的内容就是模板参数，可以是内置类型，如int，char，float等等
- 也可以是自定义类型，比如Date，甚至是vector等自定义类型。
模拟实现
vector的成员变量不和string的一样，并不是_size,_capacity_等，而是三个指针。
本喵来给大家看一下SJI版本的STL源码：
首先可以看到，vector是一个模板类，typedef的一些类型也是我们后面经常会用到的。
可以看到，它的成员变量只有三个，而是三个迭代器。
在模拟实现的时，将我们自己模拟的vector放在自己的命名空间wxf中，图中红色框中的内容是没有参数的默认构造函数。
为了向模拟实现的vector中插入数据，需要我们自己实现push_back()函数，如上图中所示。
- 红色框中是为了扩容而进行的三目运算。
- 当vector刚刚创建时，它里面是没有任何内容的，此时它的容量是0，此时需要给一个初始容量，这里本喵将其设置为4.
- 当vector中的容量不够，并且不是0时，进行二倍扩容，将容量变成原来的二倍。
还需要实现上图所示的俩个函数来辅助。
为了能够使用reserve函数来扩容，需要我们自己来模拟实现reserve函数，如上图所示。
- 红色框中，需要提前记录一下当前vector的size。
- 否则扩容后的_finish就会是0，因为temp加的值会是size()，而这个size是此时求出来使用的，由于_start已经发生了变化，所以求出来的值是一个和_start大小相等，符合相反的数。
可以自己去尝试一下，看看发生什么样的错误。
此时就初步实现了vector和push_back。
vector的扩容机制
vector个string一样，也是动态变化的数据结构，所以就会存在扩容，下面本喵来给大家看看vector在不同平台下的扩容机制。
vs2019平台：
向vector中插入100个数据，当size和capacity相同的时候打印当前容量，因为此时会发生扩容，可以看到，每次扩大到之前容量的1.5倍左右。
同样的代码，在g++编译器下就是按照2倍来扩容的。
本喵这里的扩容采用的是g++的机制，也就是严格按照之前容量的2倍来进行扩容。
除了没有参数的默认构造函数，还有使用迭代器区间来初始化类对象的构造函数。如上图所示，v2成功的用迭代器区间进行构造。
下面本喵来模拟实现一下它：
在模拟之前，需要实现上图中的俩个接口。
在类模板中，只要有需要是可以继续套模板的，如上图中的红色框中内容。
- 这里使用模板的原因是，为了通过迭代器区间来实现，至于迭代器的类型并没有固定为指针。
- 在vector和string中，迭代器的本质就是指针，但是在列表等其他数据结构中，迭代器的本质就不是指针了，所以这里使用的是泛型编程。
模板参数推演
上图模拟实现的是使用n个T来构造类对象的构造函数。
- 红色框中给是一个缺省值，该缺省值是T的匿名对象
- 如果是内置类型，比如int，它同样有默认构造函数，初始化后该int类型变量的值为0.
- 如果是自定义类型，在创建匿名对象的时候会调用它的默认构造函数。
执行上图中的代码：
在编译的时候，报了一个非法间接寻址的编译错误。
但是使用char来实例化vector，并且使用该构造方式创建对象的时候，就不再报错，而且创建成功了，这是什么原因呢？
- 当使用int将vector实例化以后，构造函数的模板产生T就成了int类型。
- 在外部将int类型的5传给构造函数以后，由于第一个形参是size_t类型的，所以需要发生整型提升。
- 但是编译器此时认为，传给构造函数的俩个参数都是int类型，而此时构造函数的俩个形参一个是size_t，一个是int类型，要想匹配还需要整型提升第一个参数，比较麻烦。
- 编译器是比较懒的，不想多干活，所以它发现，下面的使用迭代器区间的构造函数，可以将模板参数推演为int类型，以此来供传过来的俩个int类型使用。
- 所以在函数内，对int类型解引用就发生了错误的间接寻址错误。
那么为什么，使用char类型来实例化vector就不会发生这个错误呢？
- 因为此时构造函数中的T被指定成了char类型，而另一个传过来的实参是int类型。
- 一个int类型，一个char类型，编译器为了少干活，就没有使用迭代器区间的构造函数，也就是没有推演模板参数，而是采用了将第一个参数整型提升为size_t的构造函数。
编译器也是懒狗，它会寻找工作量最少的方式来实现用户的要求，也就是会根据数据类型自行决定是推演模板参数类型，还是使用已有的函数。
解决这个问题的办法也是很简单，只需要重载一个int类型的构造函数即可，如上图红色框所示，此时模板参数实例化为int类型也不再报错。
拷贝构造函数：
构造函数学习了以后，按照成员函数类型，还需要有拷贝构造函数。
STL库中的拷贝构造函数声明如上，它的形参是一个vector的引用。
如上图所示，使用v1来构造v2，可以看到v2中的内容和v1一模一样。
模拟实现拷贝构造函数：
上图所示的是拷贝构造函数的现代写法，也就是抓壮丁，在string的模拟实现时，本喵详细讲解过。
这里使用的swap函数不是标准库中的，所以需要我们自己实现：
- 拷贝构造函数中的交换函数，之所以不使用标准库中的sawp，是为了减少系统的开销。
- 如果模板参数T是一个自定义类型的时候，使用库中的swap代价就会非常大，因为自定义类型在这个过程中会发生拷贝。
- 在模拟实现的swap中再使用库中的swap时，仅仅是指针变量直接的交换，发生拷贝也就4个字节大小，代价并不大。
必须先实现俩个const迭代器的成语函数，如上图所示，因为拷贝构造的形参x是const类型的vector，此时它的this指针是被const修饰的，它的成语函数begin和end得到的迭代器也必须是被const修饰的，否则就会发生权限的放大，是不被允许的。
顺带着再实现一下析构函数，非常简单，本喵就不作讲解了。
赋值运算符重载函数：
赋值运算符重载函数只有一个，并没有多个重载类型。
如上图所示，成功的将v1赋值给了v2，其实这样看来，赋值运算也是属于构造的一种。
赋值运算符重载的模拟实现：
这里的形参不能使用引用，否则会将赋值的对象改变。这里会发生拷贝构造，创建出一个新的对象v，但是这个v不在栈区上，而是在堆区上，将this指针指向的内容和v进行交换。
vector与容量有关的接口
上图中的接口全部都是和容量有关的，如size，capacity，reserve接口在前面介绍构造函数的时候已经介绍了，下面本喵来介绍一下其他没有介绍的。
resize：
vector的resize和string的resize是一样的。
- size < n < capacity：仅调整size，也就是只改变_finish的值。
- n > capacity：size和capacity都发生了改变，也就是发生了扩容
- n < size：仅调整size，只改变_finish。
原则： 缩容的时候值改变size，不改变capacity，也就只调整_finish，不动_endofstorage。这是一种以空间换时间的思想。
resize的模拟实现：
在将三种情况实现出来后，resize便实现了，如上图所示。
empty：
如上图，当vector是空的时候，接口empty()的返回值是真，反之为假。
empty的模拟实现：
只要_finish和_start是相同的，就说明此时的vector是空的。
shrink_to_fit：
原本v1的size是1，capacity是10，在使用了shrink_to_fit以后，size和capacity相等了。
shrink_to_fit的作用就是将capacity变的和size一样的，也就是进行缩容，是一种以时间换空间的做法。
该接口是C++11才有的接口，本喵暂时就不进行模拟实现了。
vector的常用接口
STL中的vector除了上面提到的一些属性类的接口外，还有一些操作类的接口，也就是我们常说的增删查改，这也是一个数据结构中最核心的接口。
查
访问也是查的一种形式，而且访问是非常重要的，本喵来先给大家介绍一下vector的访问接口。
[]运算符重载：
[]在string详细讲解过，这里不多啰嗦，直接看演示：
可以看到，可以像访问数组一样去访问vector。
[]的模拟实现：
要严格检测是否发生越界。
可以看到，无论是写还是读都可以实现。
at：
可以看到，at的作用其实是和[]一样的，那么为什么又要有[]存在呢？
- []的可读性比at高
这一点毋庸置疑，我们肯定是喜欢阅读带有[]的代码，因为这样可以像访问数组一样来访问vector，而不是像at一样是函数调用，虽然本质上是一样的。
- 发生越界行为时，[]发生的断言错误，at是抛异常
[]是使用assert来防止越界的，而at在发生越界时会抛异常，并不会强制性的让程序停止。
头部和尾部数据的访问：
虽然使用[]也可以实现头部和尾部数据的访问，但是使用front和back的时候是不用知道尾部和头部下标的。
front和back的模拟实现：
front和back都是有重载函数的，一个是可读可写的，另一个是只读的，此时用const修饰了该接口函数，包括返回的也是被const修饰的引用类型，所以是不可以修改的。
find
在vector的STL中是没有提供find函数的，因为除string以外，其他容器查找的都是数据结构中的一个成员，并不是字符串之类的，所以这些数据结构共用一个find接口就可以，这个接口在官方提供的算法库中。
可以看到，在官方的文档中，连源码都给我们了，它就是通过迭代器来查找的指定元素的。
- 查找到指定元素后，返回该元素的迭代器。
- 没有找到指定元素时，返回该容器最后一个元素的下一个位置的迭代器，也就是end()。
使用find的查找情况如上图所示。
增
push_back就是一个非常典型的增，也是我们使用最多的，在前面本喵已经给大家详细介绍过了，并且也模拟实现了。除了这个以外，还有能够在任意位置插入的insert。
insert:
在官方提供的STL库中，insert有三个重载函数。
上图中，演示了使用insert在指定位置插入一个元素，插入多个元素，插入一段迭代器区间。
insert模拟实现：
虽然有多个接口，但是本喵只模拟实现一个：
可以看到，任意位置插入的接口中，存在着数据的挪动，如果头插一个元素的时候，需要将所有元素向后移动一个位置，代价是很大的。所以vector不建议进行频繁的头插，头插的时间复杂度是O(N2)。
可以看到，我们模拟实现的insert成功的实现了插入。
删
erase：
erase函数有俩个重载函数。
- 使用算法库中的find找到3所在位置的迭代器，使用erase将该位置元素删除。
- 将v2中除第一个和最后一个元素外都删除。
erase模拟实现：
这里仅实现一个删除指定位置的erase。
在删除以后，同样会发生数据的挪动。
成功删除了指定位置的内容。
clear：
clear的作用也是删除，但是它是将vector中的所有内容都删除，并且保留vector。
使用clear清空vector以后，size为0，但是capacity仍然保持不变。
clear的模拟实现：
实现起来非常简单。
pop_back：
仅有一个pop_back元素，没有重载函数。
该函数的作用就是将最后一个元素删除。
pop_back的模拟实现：
同样实现起来非常简单。
改
改就是从vector中找到某个元素，然后将其进行替换，一般都是先使用find找到某个元素，然后再使用[]或者at接口进行访问并修改。这些接口本喵在前面都讲解过，这里介绍一下没有讲解过的。
assign：
assign的作用就是将vector中原本的内容全部用新内容替换掉。该接口的使用频率并不高，本喵这里就不进行模拟实现了。
迭代器失效问题
- insert内部由于扩容引起的迭代器失效(野指针)：
使用我们模拟实现的insert在2的前面插入了一个100，此时是没有任何问题的，而且也是成功插入了。
此时重复上面的操作就崩溃了，这是什么原因呢？
首先我们来看俩次操作的不同之处：
- 第一次插入数据时，vector中原本有3个数字，插入100后成了4个数字。
- 第二次插入数据时，vector中原本有4个数字，插入100后成了5个数字。
俩次插入时，由于vector中原本的数据个数不同，所以发生扩容的情况也不同。第一次插入是不用扩容的，第二次插入需要扩容后才能插入。
第一次插入如上图所示，只需要将2和3向后移动一个位置，然后在空出来的pos处插入100即可。
第二次插入时，此时vector的容量已经满了，所以需要扩容后再插入数据。扩容时，开辟了一块新的空间，并且将原本空间释放了，但是pos指向的位置仍然是原本的位置。
- 此时pos就成了野指针，也就是这里所讲的迭代器失效了。
为了避免这个问题，在扩容后需要更新一下pos的内容。
只需要让pos指向新位置的2即可，如上图所示。
在代码中进行如上图所示的操作即可。其中还增加了返回值，返回的就是pos迭代器，因为发生扩容以后pos的位置是会改变的，否则就找不到新的pos位置了。
- erase之后引起的迭代器失效：
在VS2019上，当it迭代器处的位置被删除以后，it迭代器就不能再使用了，无论是读还是写，如上图所示，虽然没有直接报错，但是返回代码如红色框所示，说明它还是出错了。
同样的代码，在g++编译器下就不会报任何错误。这是好事还是坏事呢？
vector中的内容是1,2,3,4，删除其中的偶数。
成功删除了其中的偶数，但是这种操作在VS2019中是不被允许的。
- 为了在任何平台下我们对代码都能够跑过去，在这里我们认为，使用erase删除指定位置后的迭代器是失效的，是不能再使用的。
那如果我们就要访问删除后迭代器的位置呢？
和insert一样，erase返回pos迭代器，此时返回的迭代器是不失效的，可以使用的。
如上图所示，erase返回的迭代器是可以使用的。
更深层次的深拷贝
- vector的vector相当于是一个二维数组。
此时运行结果是正常的。
当插入第五个的时候，发生了错误，可以看到，打印出来的结果是乱的。
原因分析：
原本v2的结构如上图所示，v2中的四个元素分别指向一个vector。
在v2中插入第五个vector的时候发生了扩容。
而我们模拟的扩容是通过memcpy来复制原本vector中的内容，memcpy的机制是按照字节一个一个的复制。
- v2在扩容的时候，创建了新的空间，是原来的2倍。
- 将原本v2空间中的内容按字节复制到了新的v2空间。
- v2中存放的内容本质是都是指针，所以按照字节复制以后，指针的内容并不会发生改变。
- 此时v2的新空间中的指针和就空间中的指针指向的是相同的vector。
- 并且memcpy以后会释放原本v2中指针指向的这些vector。此时v2新的空间中的指针指向的vector也就成了被释放的空间了。
这里在扩容的时候虽然发生了一次深拷贝，但是不够，需要进行更深一层的拷贝。
也就是让v2新空间中的指针指向新的vector，如上图中蓝色线所指。此时原来旧的vector便可以被释放了。
使用memcpy进行拷贝是行不通的。
如上图中红色框所示，这里使用重载的赋值运算符来复制原本v2中的内容。因为它会在赋值的过程中，给v2中的指针指向的vector开辟新的空间，就不怕旧的vector被释放了。
此时即使插入第五个vector也不会出错了。
总结
在有了string的基础以后，vector的使用还是非常容易的，所以在这篇文章中本喵采用了vector的使用和模拟并行的方式。对每一种数据结构的模拟实现，并不是为了造一个更好的轮子，而是为了能够对底层有更深的了解，从而能够更好的使用官方提供的这些数据结构的模板库。