C++ STL学习之【vector的模拟实现】

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前言

vector 是 STL 中的容器之一，其使用方法类似于数据结构中的 顺序表，得益于范型编程和 C++ 特性的加持，vector 更强大、更全能；在模拟实现 vector 时，还需要注意许多细枝末节，否则就很容易造成重复析构及越界访问

出自书籍《STL源码剖析》 侯捷著

本文重点： 深度拷贝、迭代器失效

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️正文

vector 的结构比较特殊，成员变量为三个指针

#pragma once
#include 
using std::cin;
using std::cout;
using std::endl;

#include 
using std::string;

namespace Yohifo
{
	template<class T>
	class vector
	{
	public:
		typedef T value_type;
		typedef value_type* pointer;	//指针
		typedef const value_type* const_pointer;
		typedef value_type* iterator;	//迭代器
		typedef const value_type* const_iterator;
		typedef value_type& reference;	//引用
		typedef const value_type& const_reference;
		
	private:
		iterator _start;	//指向起始位置
		iterator _finish;	//指向有效元素的下一个位置
		iterator _end_of_storage;	//指向可用空间的下一个位置
	};
}

1、默认成员函数

默认成员函数需要自己设计，因为涉及深浅拷贝问题

默认构造函数、带参构造函数、迭代器区间构造

//默认构造
vector() :_start(nullptr), _finish(nullptr), _end_of_storage(nullptr) {}

//带参构造
vector(size_t n, const T& value = T())
	:vector()
{
	reserve(n);	//扩容
	while (n--) push_back(value);	//逐个尾插
}
//额外版本，避免匹配上迭代器区间构造
vector(int n, const T& value = T())
	:vector()
{
	reserve(n);	//扩容
	while (n--) push_back(value);	//逐个尾插
}

//迭代器区间构造
template<class InputIterator>
vector(InputIterator first, InputIterator last)
	:vector()
{
	//考虑提前计算容量
	InputIterator cur = first;
	int len = 0;
	while (cur != last) ++len, ++cur;
	reserve(len);
	while (first != last) push_back(*first), ++first;
}

注意： 在设计带参构造函数时，需要再额外提供一个 vector(int n, const T& value = T()) 版本，以防使用 vector v(10, 6) （构造对象，内容为10个6）优先匹配上迭代器构造，此时会造成 非法间接寻址 错误

此时多处用到了 匿名对象 作为缺省值

vector(size_t n, const T& value = T());
vector(int n, const T& value = T());

因为 T 类型不确定，在设置缺省值时，只能使用 匿名对象 的方式

• 匿名对象 生命周期只有一行，但在被 const 修饰后，其生命周期会延长
• 内置类型也能创建匿名对象，比如 int()、char() 是合法可用的

带参构造、拷贝构造、迭代器区间构造等函数创建新对象前，需要先初始化，有多种初始化方法：

1. 在定义成员变量后设置缺省值
2. 在创建新对象前手动进行初始化(初始化列表)
3. 调用 默认构造函数 进行初始化

这里采用的是初始化列表调用 默认构造函数 初始化的方式

拷贝构造

//拷贝构造-传统写法
vector(const vector<T>& v)
	:vector()
{
	reserve(v.capacity());	//扩容
	size_t pos = 0;
	while (pos < v.size()) *(_start + pos) = *(v.begin() + pos), ++pos;
	_finish = begin() + v.size();
}
拷贝构造-现代写法
//vector(const vector& v)
//	:vector()
//{
//	vector tmp(v.begin(), v.end());	//构造临时对象
//	swap(tmp);	//直接交换
//}

拷贝构造对象前可以 先进行扩容，避免空间浪费； 采用逐个数据赋值拷贝的方式进行拷贝，因为 T 有可能是自定义类型，逐个赋值可以避免浅拷贝问题

• 比如 T 为 string 类型，实际调用时是这样的 this[pos] = v[pos]（string 对象，调用对应的赋值重载函数）

注意： vector 的拷贝构造函数必须自己写，默认生成的是 浅拷贝

现代写法着重交换思想，利用迭代器区间构造出临时对象，再将临时对象 “交换” 给当前对象即可
这种方式有点窃取劳动成果的感觉~

赋值重载

//赋值重载-传统写法
vector<T>& operator=(const vector<T>& v)
{
	if (this != &v)
	{
		reserve(v.capacity());	//扩容
		size_t pos = 0;
		while (pos < v.size()) *(_start + pos) = *(v.begin() + pos), ++pos;
		_finish = begin() + v.size();
	}

	return *this;
}
赋值重载-现代写法
//vector& operator=(vector tmp)
//{
//	swap(tmp);

//	return *this;
//}

赋值重载的传统写法与拷贝构造基本一致，赋值重载中不需要新建对象，因为是 “赋值”

注意： 赋值前，可以先判断两个对象是否为同一个，如果是，则不需要进行操作

析构函数

//析构函数
~vector()
{
	delete[] _start;
	_start = _finish = _end_of_storage = nullptr;
}

_start 指向已开辟空间的首位置，可以直接进行空间释放

注意： 空间申请时，使用的是 new []，因此释放时需要使用 delete []

1.1、经典问题：深度拷贝

众多构造函数都离不开空间调整函数 reserve，所以这里提前进行学习，并且 reserve 在实现时会出现一个经典问题：深浅拷贝

void reserve(size_t n)
{
	if (n > capacity())
	{
		size_t sz = size();	//需要先保存 _start 与 _finish 间的距离
		pointer tmp = new value_type[n];	//开辟新空间
		if (begin())
		{
			//memcpy(tmp, begin(), size() * sizeof(T));	//不能直接移动
			size_t pos = 0;
			while (pos < sz)
			{
				//调用自定义类型的赋值重载函数，完成深拷贝
				*(tmp + pos) = *(begin() + pos);	//深拷贝
				pos++;
			}
		}
		delete[] begin();	//释放原空间

		_start = tmp;	//赋值新空间
		_finish = _start + sz;
		_end_of_storage = _start + n;
	}
}

函数执行步骤：

• 判断 n 是否大于容量，大于才需要进行扩容
• 保存有效元素数（大小），后面有用
• 三步走：开辟新空间 -> 移动元素至新空间 -> 释放旧空间，更改指向

注意： 在将旧空间中的数据移动至新空间时，不能直接通过 memcpy/memmove 的方式进行数据移动，因为这些库函数都是 浅拷贝，使用后会造成重复析构问题

举例：使用 memcpy 进行数据迁移

对象中已存在字符串 This is a string，现在进行空间调整

旧空间释放后，其 string 对象被释放，与此同时新空间中的 string 对象也将同步失效

程序运行结束时，调用析构函数进行空间释放（此时会调用 string 的析构函数进行字符串释放），因为旧空间与新空间中的成员皆为同一个，所以会出现 空间重复释放问题

改良：调具体对象的赋值重载函数进行深拷贝(赋值)，不再使用 memcpy 浅拷贝

实际上，拷贝构造、赋值重载、reserve 都需考虑深度拷贝的问题
一句话总结：对于自定义类型来说，在进行拷贝/赋值等操作时，调用对应的赋值重载函数即可

reserve 扩容时，发生了这些事情：

出自 《STL源码剖析》

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2、迭代器相关

vector 中的迭代器就是原生指针，如 begin() == _start、end() == _finish

typedef T value_type;
typedef value_type* iterator;	//迭代器
typedef const value_type* const_iterator;
		
//=====迭代器设计=====
iterator begin() { return _start; }
iterator end() { return _finish; }

const_iterator begin() const { return _start; }
const_iterator end() const { return _finish; }

注意：

• 需要提供两个迭代器版本，即 const 对象的 const 迭代器
• 反向迭代器在后续文章中进行专门讲解

利用前面的函数构造对象，在通过迭代器遍历对象，结果如下

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3、容量相关

3.1、查看容量

直接通过迭代器获取值

//=====容量相关=====
size_t size() const { return end() - begin();  }
size_t capacity() const { return _end_of_storage - begin();  }
bool empty() const { return begin() == end();  }

3.2、容量调整

可以调整容量(reserve)，也可以调整大小(resize)
reserve 前面已经介绍过了，这里来看看 resize

void resize(size_t n, const_reference val = value_type())
{
	if (n < size())
		erase(begin() + n, end());
	else
		insert(end(), n - size(), val);
}

操作步骤：

• 判断 n 是否大于大小
• 如果小于，执行删除，区间为 [begin() + n, end()]
• 如果小于或等于，就执行插入，区间为 [end(), n - size(), val]

value_type 就是 T，缺省值为默认对象值

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4、数据访问相关

4.1、下标访问

下标访问有两种方式：operator[] 和 at

//=====数据访问=====
reference operator[](size_t pos)
{
	assert(pos >= 0 && pos < size());
	return *(begin() + pos);
}
const_reference operator[](size_t pos) const
{
	assert(pos >= 0 && pos < size());
	return *(begin() + pos);
}

reference at(size_t pos) { return (*this)[pos]; }
const_reference at(size_t pos) const { return (*this)[pos]; }

at 复用 operator[] 的代码，确保函数的稳定性~

4.2、首尾数据

获取首尾数据也可以直接复用 operator[]

reference front() { return (*this)[0]; }
const_reference front() const { return (*this)[0]; }
reference back() { return (*this)[size() - 1]; }
const_reference back() const { return (*this)[size() - 1]; }

测试结果如下：

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5、修改相关

5.1、首尾插删

void push_back(value_type val)
{
	if (size() == capacity())
		reserve(capacity() == 0 ? 4 : capacity() * 2);	//考虑容量为0的情况

	*_finish++ = val;	//在最后一个位置插入
}

void pop_back() 
{
	assert(!empty());
	--_finish;
}

注意： 尾插时，需要先判断容量是否足够，不够则需要扩容；同时因为容量默认从 0 开始，假若是第一次插入，需将容量扩容为 4

关于尾插，还有一个类似的拼接函数 assign，将某段区间或 n 个 val 值，拼接至对象后面

//=====数据修改=====
template <class InputIterator>
void assign(InputIterator first, InputIterator last)
{
	//迭代器区间拼接
	InputIterator cur = first;
	int len = 0;
	while (cur != last) ++len, ++cur;
	reserve(len);
	while (first != last) push_back(*first), ++first;
}
void assign(int n, const value_type& val)
{
	reserve(n);	//提前扩容
	while (n--) push_back(val);
}

执行结果如下：

5.2、任意位置插删

任意位置插删更为自由，同时也更加 “危险”

iterator insert(iterator pos, const_reference val)
{
	//先记录当前迭代器的位置
	size_t sz = pos - begin();
	if (size() == capacity())
		reserve(capacity() == 0 ? 4 : capacity() * 2);	//考虑容量为0的情况

	pos = begin() + sz;	//更新迭代器
	iterator cur = end();
	while (cur != pos) *cur = *(cur - 1), --cur;
	*cur = val;	//插入数据
	++_finish;	//尾向后移动

	return pos;	//返回新迭代器位置
}
iterator insert(iterator pos, size_t n, const_reference val)
{
	while (n--) pos = insert(pos, val), pos++;	//正确写法

	return pos;
}

void erase(iterator pos)
{
	assert(pos >= begin() && pos < end());
	while (pos != end()) *pos = *(pos + 1), ++pos;
	--_finish;
}
void erase(iterator first, iterator last)
{
	//迭代器区间删除
	//两个结束条件：last == _finish
	while (last != _finish) *first = *(last + 1), ++first, ++last;
	_finish = first;

}

注意： insert 后迭代器 pos，需要及时更新

若产生扩容行为，迭代器 pos 将指向失效空间，这就是迭代器失效情况之一

迭代器失效时的具体表现：

这只是迭代器失效的其中一种情况：没有更新迭代器位置

5.3、经典问题：迭代器失效

下面再来看一个迭代器失效场景
比如下标这段代码会运行失败

void TestVector3()
{
	vector<int> v;
	
	auto it = v.begin();
	int val = 0;

	while (val < 100)
		v.insert(it++, val++);

	for (auto e : v)
		cout << e << " ";
}

结果：

原因：

我们通常认为，在 insert 后，迭代器失效，不能再使用，当然将此迭代器更新，也能正常使用

while (val < 100)
{
	it = v.insert(it, val++);
	it++:	//接收 insert 返回值，更新迭代器
}

注意： erase 后，也会出现迭代器失效情况，在 PJ 版本中，对 erase 迭代器失效情况零容忍，只要是删除后没有即使更新迭代器，就会直接报错；而在 SGI 版中，检查相对比较薄弱，即使是删除最后一个元素，它也不报错，这会导致异常行为

对于 erase 迭代器实现情况：

• PJ 版：零容忍，检查很严格
• SGI 版：结果未定义，缺乏检查

从实用角度来看，PJ 版的处理方法明显更合理

5.4、交换、清理、排序

再补充一些常用函数

void swap(vector<T>& v)
{
	//交换三个内置类型，效率要高得多
	std::swap(_start, v._start);
	std::swap(_finish, v._finish);
	std::swap(_end_of_storage, v._end_of_storage);
}

void clear() { erase(begin(), end()); }

即使库中提供了全局性的 std::swap 函数，vector 还是提供了额外的 swap 交换函数，因为 std::swap 中会发生多次拷贝构造，效率较低，而 swap 效率是极高的，只需交换三个成员变量

vector 中使用的是随机迭代器，可以使用库中的排序函数 std::sort

void TestVector8()
{
	int arr[] = { 1,9,5,4,3,2,6,7,10,8 };
	vector<int> v(arr, arr + sizeof(arr) / sizeof(arr[0]));

	//使用库中的排序函数
	std::sort(v.begin(), v.end());	//默认为升序（仿函数）
	//std::sort(v.begin(), v.end(), std::less());	//其实默认是这样的，为缺省值

	for (auto e : v)
		cout << e << " ";
	cout << endl;


	//利用仿函数，进行降序排序
	std::sort(v.begin(), v.end(), std::greater<int>());

	for (auto e : v)
		cout << e << " ";
	cout << endl;
}

这里是第一次用到仿函数，后续在进行适配器讲解时，会详细介绍，现在只需知道怎么用就行了

对于 std::sort 来说

• 如果想升序的话，使用 std::less()
• 降序使用 std::greater()

注意： 使用仿函数需要头文件 functional，使用 std::sort 需要头文件 algorithm；std::sort 函数只能用于 随机迭代器

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6、源码

本文中涉及的所有代码都在这个仓库中：Gitee

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总结

以上就是本篇关于 vector 模拟实现的全部内容了，感兴趣的同学可以自己试着写一下，不过需要特别注意 深度拷贝 和 迭代器失效 问题

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