[C++]vector类的模拟实现和相关函数的详解

架构

首先由于自定义类不能和已有类重名，所以在自定义命名空间中进行vector类的模拟

namespace aiyimu
{
	template<class T>//类模板
	class vector
	{
	
	public:
		//迭代器
		typedef T* iterator;
		typedef const T* const_iterator;
		//成员函数
		
	private:
		//成员变量
		iterator _start;//起始位置
		iterator _finish;//所含元素末尾
		iterator _endofstorage;//开辟的空间末尾位置
	};
}

实现

默认构造函数

构造函数

无参构造函数

无参构造进行成员函数的初始化即可

vector()
	:_start(nullptr)
	,_finish(nullptr)
	,_endofstorage(nullptr)
{}

迭代器构造函数

1. 定义模板参数：为了使任意类型的迭代器都能使用
2. 将成员变量初始化
3. 用while循环遍历迭代器范围[first, last)，将范围内的元素逐个插入到vector中，这里使用的push_back()（尾插函数）后面会进行实现

template <class InputIterator>//定义一个模板参数
vector(InputIterator first, InputIterator last)
	:_start(nullptr)
	,_finish(nullptr)
	,_endofstorage(nullptr)
{
	//从first到last构造
	while (first != last)
	{
		push_back(*first);
		++first;
	}
}

拷贝构造

传统写法*

1. new一个大小为v.capacity()的连续内存空间，将_start指向该空间起始位置，起始位置设置完成，同理更新_finish, _endofstorage （capacity()是返回vector空间大小的函数，后面实现）

vector(const vector<T>& v)
{
	_start = new T[v.capacity()];
	_finish = _start + v.size();
	_endofstorage = _start + capacity();

	//memcpy(_start, v._start, v.size() * sizeof(T));
 	//同reserve()一样，memcpy是浅拷贝，会出现问题
	for (size_t i = 0; i < sz; i++)
	{
		tmp[i] = _start[i];
	}
}

现代写法*

1. 现代方法 创建了一个临时的vector对象tmp，利用该对象的构造函数和迭代器传入源vector对象v的起始地址和结束地址，构造出一个与v完全相同的新的vector对象tmp。
2. 同时利用自定义的swap()函数进行拷贝操作（将tmp的元素给*this）
3. 同样避免了浅拷贝问题

void swap(vector<T>& v)
{
	std::swap(_start, v._start);
	std::swap(_finish, v._finish);
	std::swap(_endofstorage, v._endofstorage);
}

vector(const vector<T>& v)
	:_start(nullptr)
	,_finish(nullptr)
	,_endofstorage(nullptr)
{
	vector<T> tmp(v.begin(), v.end());;//利用构造函数直接将v构造到临时vector中

	swap(tmp);//和this->swap(tmp)相同
}

为什么不能使用memcpy()进行拷贝（浅拷贝问题）

为什么不能使用memcpy()？

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如果拷贝的是内置类型的元素，memcpy即高效又不会出错;
但如果拷贝的是自定义类型元素，并且自定义类型元素中涉及到资源管理时，就会出错，因为memcpy的拷贝实际是浅拷贝。

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具体过程如下图：
当使用memcpy()拷贝后，_start指向v._start所指向的空间，拷贝完后释放原空间，此时_start就变为了野指针。

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析构函数

1. 如果_start本来为空，不需要进行操作
2. 不为空进行：释放_start指向的空间，将成员变量指针置空

~vector()
{
	//如果_start不为空，释放空间并置空指针
	if (_start)
	{
		delete[] _start;
		_start = _finish = _endofstorage = nullptr;
	}
}

赋值重载

1. 赋值重载恰好使用拷贝构造函数中的swap函数直接交换即完成赋值

=

vector<T>& operator=(vector<T> v)
{
	swap(v);
	return *this;
}

[]

1. 访问下标实现const和非const两种，前者不允许用户通过引用修改vector的内容，后者允许。
2. 首先用assert断言pos不能越界，然后返回下标即可

const T& operator[](size_t pos) const
{
	assert(pos < size());//防止越界
	return _start[pos];
}

T& operator[](size_t pos)
{
	assert(pos < size());//防止越界
	return _start[pos];
}

---

迭代器

首先我们在类进行了如下操作：分别typedef了两种迭代器（const和非const）

public:
typedef T* iterator;
typedef const T* const_iterator;

begin && end

1. 使用迭代器时需要使用头尾位置，所以这里定义const/非const的两种函数，直接返回位置即可

const iterator begin() const
{
	return _start;
}

const iterator end() const
{
	return _finish;
}

iterator begin()
{
	return _start;
}

iterator end()
{
	return _finish;
}

---

操作函数

size() && capacity()

1. size()和capacity()前面已经进行了使用，是为了访问vector的 大小 和 容量 的
2. 同样进行const和非const 的实现

//返回此时vector的大小
size_t size()
{
	return _finish - _start;
}
//返回此时vector的容量
size_t capacity()
{
	return _endofstorage - _start;
}

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

push_back()

法一

1. 首先判断增容和进行增容：用 tmp 临时存储大小为 newCapacity 的内存空间，用for循环完成拷贝操作 （第一次增容不需要拷贝，所以有 if(_start)）
2. 完毕后更新三个指针（_start _finish _endofstorage）
3. 但更新时需要注意，_start应该在_finish后更改，因为_start的改变会使size()改变，从而使_finish出问题
4. 在尾部插入x，更新_finish

void push_back(const t& x)
{
	//判断扩容
	if (_finish == _endofstorage)
	{
		size_t newcapacity = capacity() == 0 ? 4 : capacity() * 2;//扩容
		t* tmp = new t[newcapacity];
		
		if (_start)//当_start不为空进来（第一次增容不用进）
		{
			memcpy(tmp, _start, sizeof(t) * size());//将原本存储的数据拷贝到tmp中
			delete[] _start;
		}
		
		_finish = _start + size();
		_start = tmp;//这两行顺序不能变：先赋值_start会改变size()的返回值
		_endofstorage = _start + newcapacity;
	}
	*_finish = x;
	++_finish;
}

法二

1. 法二在法一的基础上，用sz临时存储size()的值，最后更新_finish直接用sz即可，这样_start的更改顺序不会影响_finish的值
2. 其余部分和法一思路一致

void push_back(const T& x)
{
	//判断扩容
	if (_finish == _endofstorage)
	{
		size_t newCapacity = capacity() == 0 ? 4 : capacity() * 2;//扩容
		T* tmp = new T[newCapacity];
		size_t sz = size();
		if (_start)//当_start不为空进来（第一次增容不用进）
		{
			memcpy(tmp, _start, sizeof(T) * size());//将原本存储的数据拷贝到tmp中
			delete[] _start;
		}
		_start = tmp;
		_finish = _start + sz;
		_endofstorage = _start + newCapacity;
	}
	*_finish = x;
	++_finish;
}

法三

1. 当实现了reserve()（扩容函数）后，直接调用reserve()，再进行插入即可
2. reserve()下面实现

void push_back(const T& x)
{
	//判断扩容
	if (_finish == _endofstorage)
	{
		reserve(capacity() == 0 ? 4 : capacity() * 2);
	}

	*_finish = x;
	++_finish;
}

reserve()

1. reserve() 函数只在 vector 对象中没有足够的内存空间时才会进行内存分配操作，以便预留一定的内存空间，避免频繁的内存分配操作影响程序性能。
2. 用 tmp 临时存储大小为 n 的内存空间。然后记录目前vector的所有元素个数，用for循环完成拷贝操作 （第一次增容不需要拷贝，所以有 if(_start)）
3. 最后释放掉原本_start指向的空间并更新_start,_finish,_endofstorage

void reserve(size_t n)
{
	//当_finish == _endofstorage时，此时没有多余内存空间，进行增容
	if (_finish == _endofstorage)
	{
		T* tmp = new T[n];
		size_t sz = size();

		if (_start)//当_start不为空进来（第一次增容不用进）
		{
			//memcpy是浅拷贝，在一些使用场景中会出现问题
			//memcpy(tmp, _start, sizeof(T) * size());//将原本存储的数据拷贝到tmp中
			for (size_t i = 0; i < sz; i++)
			{
				//T是int，一个个拷贝没有问题
				//T是string，每次调用=也是深拷贝
				tmp[i] = _start[i];
			}
			
			delete[] _start;
		}

		_start = tmp;
		_finish = _start + sz;
		_endofstorage = _start + n;
	}
}

resize()

1. resize()允许增容+缩容，当 (n<当前大小)时进行缩容，反之扩容
2. 缩容 直接将_finish指向n的位置即可
3. 扩容 首先进行判断，然后将多出的空间全部赋值val （resize()此时为扩容+初始化）

void resize(size_t n, const T& val = T())
{
	//缩小size
	if (n < size())
	{
		_finish = _start + n;
	}
	//扩大
	else
	{
		//判断增容
		if (n > capacity())
		{
			reserve(n);
		}

		while (_finish != _start + n)//将多出的空间赋值val
		{
			*_finish = val;
			++_finish;
		}
	}
}

insert()

1. insert() - 向任意位置插入字符
2. 首先断言pos不能越界，随后判断是否需要扩容
3. 执行插入步骤：将pos位后的所有元素后移一位，插入pos，++_finish（多一个元素，需要更新大小）
4. 返回值类型是 iterator：因为insert()需要返回一个指向插入的元素的迭代器。最后返回迭代器pos。

iterator insert(iterator pos, const T& x)
{
	//防止pos越界
	assert(pos >= _start);
	assert(pos <= _finish);

	//判读扩容
	if (_finish == _endofstorage)
	{
		//扩容后pos会失效，所以在扩容后更新pos
		size_t len = pos - _start;
		reserve(capacity() == 0 ? 4 : capacity() * 2);

		//扩容后更新pos
		pos = _start + len;
	}

	iterator end = _finish - 1;
	
	//将插入位置后面的元素后移
	while (end >= pos)
	{
		*(end + 1) = *end;
		--end;
	}
	*pos = x;//插入元素
	++_finish;

	return pos;
}

erase()

1. erase()和insert()思路相似
2. 首先断言防止pos越界，将pos后的所有元素前移一位，最后更新大小（_finish指针的位置）

iterator erase(iterator pos)
{
	assert(pos >= _start);
	assert(pos <= _finish);

	iterator begin = pos + 1;
	//将pos位后面的元素前移
	while (begin < _finish)
	{
		*(begin - 1) = *(begin);
		++begin;
	}

	--_finish;

	return pos;
}

完整代码

vector的模拟实现