【C++】vector模拟实现

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一、vector认识

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（deque, list and forward_list）， 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list和forward_list统一的迭代器和引用更好

二、vector迭代器失效

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。

代码例子：

#include 
using namespace std;
#include 
int main()
{
     vector<int> v{1,2,3,4,5,6};

     auto it = v.begin();
 
 // 将有效元素个数增加到100个，多出的位置使用8填充，操作期间底层会扩容
 // v.resize(100, 8);
 
 // reserve的作用就是改变扩容大小但不改变有效元素个数，操作期间可能会引起底层容量改变
 // v.reserve(100);
 
 // 插入元素期间，可能会引起扩容，而导致原空间被释放
 // v.insert(v.begin(), 0);
 // v.push_back(8);
 
 // 给vector重新赋值，可能会引起底层容量改变
 	v.assign(100, 8);
 
 /*
 出错原因：以上操作，都有可能会导致vector扩容，也就是说vector底层原理旧空间被释放掉，
而在打印时，it还使用的是释放之间的旧空间，在对it迭代器操作时，实际操作的是一块已经被释放的
空间，而引起代码运行时崩溃。
 解决方式：在以上操作完成之后，如果想要继续通过迭代器操作vector中的元素，只需给it重新
赋值即可。
 */
    while(it != v.end())
    {
        cout<< *it << " " ;
        ++it;
    }
    cout<<endl;
    return 0;
}

2. 指定位置元素的删除操作--erase

代码例子：

void test_vector3()
{
    vector<int> v1;
    v1.push_back(1);
    v1.push_back(2);
    v1.push_back(2);
    v1.push_back(3);
    v1.push_back(4);
    v1.push_back(5);
    v1.push_back(6);

    for (auto e : v1)
    {
        cout << e << " ";
    }
    cout << endl;

    auto it = v1.begin();
    //while(it != v1.end())//错误代码
    //{
    //    if(*it % 2 == 0)
    //    {
	//		v1.erase(it);
    //    }
    //    it++;
	//}
    while (it != v1.end())
    {
        if (*it % 2 == 0)
        {
            it = v1.erase(it);
        }
        else
        {
            ++it;
        }
    }
}

注意：运行错误代码时，程序崩溃了，为什么？
其实是因为erase删除pos位置元素后，pos位置之后的元素会往前搬移，他没有接收返回值而是一味的进行++操作导致程序越界奔溃。
在Visual Studio2019中，调用vector的insert()和erase()接口后，it迭代器（包括it之后的自定义迭代器）将会失效，如果仍操作这些已经失效的迭代器，编译器将会引发异常。
我尝试在Linux的g++编译器下运行相同debug版本的程序（编译时带上-g选项），发现g++中调用完insert()和erase()接口后，it迭代器并未失效，甚至可以操纵it读写_end_of_storage-_finish这部分空间，这是错误的，这要求我们要规范使用insert和erase接口。

三、vector模拟实现构造函数调用不明确问题

void test_vector7()
	{
		/*vector v(10u, 1);
		vector v1(10, "1111");*/
		vector<int> v2(10, 1);

		for (auto e : v2)
		{
			cout << e << " ";
		}
		//cout << endl;
		//vector v3(v.begin(), v.end());
		//for (auto e : v3)
		//{
		//	cout << e << " ";
		//}
		//cout << endl;
		//string str("hello world");
		//vector v4(str.begin(), str.end());
		//for (auto e : v4)
		//{
		//	cout << e << " ";
		//}
		//cout << endl;

		//int a[] = { 16,2,77,29 };
		//vector v5(a, a + 4);
		//for (auto e : v5)
		//{
		//	cout << e << " ";
		//}
		//cout << endl;
	}

注意：我们运行没有注释的代码时，代码报非法的间接寻址，这是因为发生了构造函数调用不明确的问题

而注释代码没有发生调用不明确的问题。看下图

对于没有注释的代码来说第二个构造函数更匹配，所以发生了调用不明确

调用不明确问题解决方法

我们需要重载一个int类型的构造函数这样就解决了调用函数不明确的问题

四、模拟实现reserve函数发生的浅拷贝问题

代码：

void reserve(size_t n)
{
    if (n > capacity())
    {
        //扩容前保存个数，因为扩容后指针不是原来的指针了
        size_t sz = size();
        T* tmp = new T[n];
        // 拷贝前_start不能为空
        if (_start)
        {
            // memcpy(tmp,_start,sizeof(T) * sz);//拷贝自定义类型时浅拷贝.错误代码
            for (int i = 0; i < size(); i++)
            {
                tmp[i] = _start[i];//自定义类型时调用赋值重载
            }
            delete []_start;
        }

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

vector是深拷贝，但是vector空间上存的对象是string的数组，使用memcpy导致string对象的浅拷贝问题

解决方法：我们需要遍历数组调用赋值拷贝来解决问题

五、vector模拟实现源码

#define _CRT_SECURE_NO_WARNINGS 1
#pragma once
#include 
#include 
#include 
using namespace std;

namespace sqy
{
	template<class T>
	class vector
	{
	public:
		typedef T* iterator;
		typedef const T* const_iterator;

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

			return _finish;
		}

		vector()
			:_start(nullptr)
			, _finish(nullptr)
			, _endOfStorage(nullptr)
		{}
		vector(int n, const T& value = T())
		{
			resize(n, value);
		}
		vector(size_t n, const T& value = T())
		{
			resize(n, value);
		}
		template<class InputIterator>
		vector(InputIterator first, InputIterator last)
		{
			while (first != last)
			{
				push_back(*first);
				++first;
			}
		}

		vector(const vector<T>& v)
		{
			_start = new T[v.capacity()];
			for (size_t i = 0; i < v.size(); i++)
			{
				_start[i] = v._start[i];
			}
			_finish = _start + v.size();
			_endOfStorage = _start + v.capacity();
		}
		vector<T>& operator= (vector<T> v)
		{
			swap(v);
			return *this;
		}
		void swap(vector<T>& v)
		{
			std::swap(_start, v._start);
			std::swap(_finish, v._finish);
			std::swap(_endOfStorage, v._endOfStorage);
		}
		~vector()
		{
			delete []_start;
			_start = _finish = _endOfStorage = nullptr;
		}
		void push_back(const T& x)
		{
			//扩容
			if (_finish == _endOfStorage)
			{
				reserve(capacity() == 0 ? 4 : capacity() * 2);
			}
			*_finish = x;
			++_finish;
		}
		void pop_back()
		{
			assert(size() > 0);
			--_finish;
		}
		void reserve(size_t n)
		{
			if (n > capacity())
			{
				//扩容前保存个数，因为扩容后指针不是原来的指针了
				size_t sz = size();
				T* tmp = new T[n];
				// 拷贝前_start不能为空
				if (_start)
				{
					// memcpy(tmp,_start,sizeof(T) * sz);//拷贝自定义类型时浅拷贝
					for (int i = 0; i < size(); i++)
					{
						tmp[i] = _start[i];//自定义类型时调用赋值重载
					}
					delete []_start;
				}

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

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

		size_t capacity() const
		{
			return _endOfStorage - _start;
		}

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

		const T& operator[](size_t pos) const
		{
			assert(pos < size());

			return _start[pos];
		}
		iterator insert(iterator pos, const T& x)
		{
			assert(pos <= _finish && pos >= _start);
			size_t sz = pos - _start;
			if (_finish == _endOfStorage)
			{
				reserve(capacity() == 0 ? 4 : capacity() * 2);
				pos = _start + sz;
			}

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

			if (size() > 0)
			{
				iterator begin = pos;
				while (begin < _finish)
				{
					*begin = *(begin + 1);
					++begin;
				}
			}
			--_finish;
			return pos;
		}
	private:
		iterator _start = nullptr;//指向数据块的开始
		iterator _finish = nullptr;//指向数据块的尾
		iterator _endOfStorage = nullptr;//指向存储容量的尾
	};
	void Test_vector()
	{
		vector<string>v;
		v.push_back("aaaaaaaaaaaaaaa");
		v.push_back("bbbbbbbbbbbbbbb");
		v.push_back("ccccccccccccccc");
		v.push_back("ddddddddddddddd");
		v.push_back("eeeeeeeeeeeeeee");
		for (auto t : v)
		{
			cout << t << endl;
		}
	}
	void test_vector1()
	{
		vector<int> v1;
		v1.push_back(1);
		v1.push_back(2);
		v1.push_back(3);
		v1.push_back(4);
		v1.push_back(5);

		for (auto e : v1)
		{
			cout << e << " ";
		}
		cout << endl;

		for (size_t i = 0; i < v1.size(); i++)
		{
			v1[i]++;
		}

		for (auto e : v1)
		{
			cout << e << " ";
		}
		cout << endl;

	}
	void test_vector3()
	{
		vector<int> v1;
		v1.push_back(1);
		v1.push_back(2);
		v1.push_back(2);
		v1.push_back(3);
		v1.push_back(4);
		v1.push_back(5);
		v1.push_back(6);

		for (auto e : v1)
		{
			cout << e << " ";
		}
		cout << endl;

		auto it = v1.begin();
		while(it != v1.end())//错误代码
		{
		    if(*it % 2 == 0)
		    {
				v1.erase(it);
		    }
		    it++;
		}
		/*while (it != v1.end())
		{
			if (*it % 2 == 0)
			{
				it = v1.erase(it);
			}
			else
			{
				++it;
			}
		}*/

		//v1.erase(v1.begin());
		//auto it = v1.begin()+4;
		//v1.erase(it);

		 erase以后，迭代器失效了，不能访问
		 vs进行强制检查，访问会直接报错
		//cout << *it << endl;
		//++it;
		//cout << *it << endl;

		for (auto e : v1)
		{
			cout << e << " ";
		}
		cout << endl;
	}
	void test_vector4()
	{
		vector<int> v;
		v.resize(10, 0);

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

	}
	void test_vector5()
	{
		vector<int> v;
		v.push_back(1);
		v.push_back(2);
		v.push_back(3);
		v.push_back(4);
		v.push_back(5);

		vector<int> v1(v);

		for (auto e : v1)
		{
			cout << e << " ";
		}
		cout << endl;

		vector<int> v2;
		v2.resize(10, 1);

		v1 = v2;
		for (auto e : v1)
		{
			cout << e << " ";
		}
		cout << endl;
	}
	void test_vector7()
	{
		/*vector v(10u, 1);
		vector v1(10, "1111");*/
		vector<int> v2(10, 1);

		for (auto e : v2)
		{
			cout << e << " ";
		}
		//cout << endl;
		//vector v3(v.begin(), v.end());
		//for (auto e : v3)
		//{
		//	cout << e << " ";
		//}
		//cout << endl;
		//string str("hello world");
		//vector v4(str.begin(), str.end());
		//for (auto e : v4)
		//{
		//	cout << e << " ";
		//}
		//cout << endl;

		//int a[] = { 16,2,77,29 };
		//vector v5(a, a + 4);
		//for (auto e : v5)
		//{
		//	cout << e << " ";
		//}
		//cout << endl;
	}
}