【C++】vector的简化模拟实现

1. 主要结构

参照SGI版本的vector实现，使用三个指针来维护这样一段内存空间

template<class T>
class vector
{
public:
    //成员函数
private:
    T* _start;
    T* _finish;
    T* _endOfStorage;
};

图示结构如下：

那么，对于vector的模拟实现和string的实现就有所不同了。

2. 默认成员函数

✅对于默认构造函数，我们不需要对其进行开辟空间等操作，所以直接在初始化列表给定三个成员变量空指针即可

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

✅对于给定长度和值的构造函数，我们需要开辟空间，然后把val都填进去，但是这里对于开辟空间的操作，我们复用reserve即可，这样如果出现某些需要对开辟空间操作的修改，只需要修改reserve即可，提高了代码的可维护性

vector(size_t n, const T& val = T())
{
    reserve(n);
    for (size_t i = 0; i < n; ++i)
    {
        push_back(val);
    }
}

✅对于迭代器区间的初始化，按照迭代器的自增行为遍历整个迭代器区间，并将每个元素尾插到vector中。

template<class InputIterator>
vector(InputIterator first, InputIterator last)
{
    while (first != last)
    {
        push_back(*first);
        ++first;
    }
}

✅对于拷贝构造，我们同样有经典写法和现代写法两种，由于现代写法的可读性更优，所以这里对于经典写法我们就不再赘述。现代写法，我们的想法是找到一个“工具人”tmp来帮我们构造，这里用到了迭代器区间初始化的方式来初始化tmp，然后再通过swap函数将tmp与this指针指向的对象进行交换从而实现了拷贝构造。

vector(const vector<T>& v)
    :_start(nullptr)
    , _finish(nullptr)
    , _endOfStorage(nullptr)
{
    vector<T> tmp(v.begin(), v._end());
    swap(tmp);
}

✅对于析构函数，我们要做的事情就是释放new申请的资源，然后将成员变量置空即可。

~vector()
{
    delete[] _start;
    _start = _finish = _endOfStorage = nullptr;
}

✅对于赋值重载，我们同样找到了一个“工具人”tmp，在传参的过程中，使用传值的方式，构建了一个变量tmp，然后使用在vector类内部实现的swap交换this指针指向的类和tmp。

vector<T>& operator=(vector<T> tmp)
    : _start(nullptr)
    , _finish(nullptr)
    , _endOfStorage(nullptr)
{
	swap(tmp);
    return *this;
}

3. 迭代器

vector和string的底层都是动态数组，所以对于vector类来说，原生指针也能够很好的支持迭代器行为。这里我们只实现正向迭代器的const和非const版本。

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;
}

4. 容量相关

1. size和capacity

由于vector和string的成员变量不同，所以这里我们的size和capacity不能直接得到，需要进行运算

//按照图示的理解，由于指向数组的指针都是前闭后开，所以直接使用指针相减即可
size_t size()
{
    return _finish - _start;
}
size_t capacity()
{
    return _endOfStorage - _start;
}

2. reserve

如果我们做了扩容操作，就一定是异地扩容，所以对于_finish和_endOfStorage的处理就要注意一下，提前将size保存一下，否则如果在_start重新赋值之后再调用size就会出现问题。

void reserve(size_t n)
{
    if (capacity() < n)
    {
        size_t OldSize = size();
        T* tmp = new T[n];
        memcpy(tmp, _start, sizeof(T) * size());
        delete[] _start;
        _start = tmp;
        _finish = _start + OldSize;
        _endOfStorage = _start + n;
    }
}

那么，这样做了修改之后是不是就没有问题了呢？

这里注意一下，我们写的vector是一个类模板，其中存放的元素类型可以是任意类型，如果这里vector中存放的元素类型是需要深拷贝的，例如vector中存放的是string对象的时候，结构如下图。

按照我们刚刚实现的逻辑，首先开辟一块新的空间，然后按照值拷贝的方式将vector中存放的元素拷贝到tmp中，然后调用vector的析构函数，析构的时候对于string对象，自动调用string的析构函数，将string指向的空间，即上述的绿色部分的空间释放，然后导致新开辟的空间中的string对象全部都无效。最终在该vector对象生命周期结束时，再次调用析构函数，导致其中的每个string对象都析构两次，程序崩溃(或者在结束之前对其中的stirng对象做操作，导致出现其他问题使程序崩溃)

那么应该怎么解决这个问题呢？

不能调用库函数memcpy执行值拷贝，而是自己重新写一个拷贝的操作

void reserve(size_t n)
{
    if (capacity() < n)
    {
        size_t OldSize = size();
        T* tmp = new T[n];
        //memcpy(tmp, _start, sizeof(T) * size());
        if (_start)
        {
            for (size_t i = 0; i < OldSize; ++i)
            {
                tmp[i] = _start[i];
            }
            delete[] _start;
        }
        _start = tmp;
        _finish = _start + OldSize;
        _endOfStorage = _start + n;
    }
}

3. resize

这里resize的用法是和之前string中resize的用法相同，所以设计思路也是相同的，一共分成三种情况：

1. 当传入的n>capcaity时，进行扩容操作，然后再填充数据
2. 当 size < n < capacity时，直接填充数据
3. 当n < size时，更改_finish的指向即可

void resize(size_t n, const T& val = T())
{
    if (n > capacity())//n>capacity
    {
        reserve(n);
    }
    if (n > size())//size < n < capacity
    {
        while (*_finish > _size + n)
        {
            *_finish = val;
            ++_finish;
        }
    }
    else
        _finish = _start + n;
}

这里补充一下，在上面的代码中，可以看到给val的缺省值是T()，而不是一个确定的值，这是因为存在vector中的元素可以是任意类型，有可能是自定义类型，如果使用某一个值可能无法构造出该类型的对象，所以使用T()构建一个T类型的匿名对象。

❓对于内置类型，怎么会有默认构造函数呢？

✅在C++中，为了支持这种写法，对于内置类型，也支持了使用类型()的方式创建对象

5. 数据访问

针对数据访问，我们同样只实现一个[]的重载即可

T& operator[](size_t pos)//const版本
{
    assert(pos < size());
    return _start[pos];
}
const T& operator[](size_t pos) const//非const版本
{
    assert(pos < size());
    return _start[pos];
}

6. 数据修改

1. push_back

老规矩，首先判断容量，如果已经没有容量插入就先扩容，然后在_finish指向的位置插入值，然后让_finish向后挪动一位

void push_back(const T& val)
{
    if (_finish == _endOfStorage)
    {
        size_t newCapacity = capacity() == 0 ? 4 : 2 * capacity();
        reserve(newCapacity);
    }
    *_finish = val;
    ++_finish;
}

2.pop_back

显而易见，直接使_finish向前挪动一位即可，但是最好首先进行一下判空，这里顺便也实现以下empty

bool empty()
{
    return _start == _finish;
}
void pop_back()
{
    if (!empty())
    {
        --_finish;
    }
}

3. insert

对于insert，我们在上一篇博客中讲到了迭代器失效问题，给出的解决办法就是设定返回值类型为迭代器，所以这里对insert的设计就很清晰了。

iterator insert(iterator pos, const T& val)
{
    assert(pos >= _start);
    assert(pos <= _finish);
    if (_finish == _endOfStorage)
    {
        size_t len = pos - _start;//这里注意以下，要保存pos的相对位置，否则扩容之后会导致pos位置失效
        size_t newCapacity = capacity() == 0 ? 4 : capacity() * 2;
        reserve(newCapacity);
        pos = _start + len;//重新确定pos位置
    }
    //挪动数据
    iterator end = _finish - 1;
    while (end >= pos)
    {
        *(end + 1) = *end;
        --end;
    }
    *pos = val;
    ++_finish;
    return pos;
}

4.erase

同样的erase也会导致迭代器失效，所以最终我们也重新返回一个有效的pos值

iterator erase(iterator pos)
{
    assert(pos >= _start);
    assert(pos < _finish);
    iterator begin = pos + 1;
    while (begin < _finish)
    {
        *(begin - 1) = *begin;
        ++begin;
    }
    --_finish;
    return pos;
}

5.swap

由于vector和string一样，底层都是动态数组，所以swap的形式也非常像

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

6.clear

clear的作用就是将数据清空，但是不销毁对象，所以直接改变_finish即可

void clear()
{
    _finish = _start;
}