【STL】 模拟实现简易 vector
目录
1. 读源码
2. 框架搭建
3. vector 的迭代器
4. vector 的拷贝构造与赋值
拷贝构造
赋值
5. vector 的常见重要接口实现
operator[ ] 的实现
insert 接口的实现
erase 接口实现
pop_back 接口的实现
resize 接口实现
源码分享
写在最后：
1. 读源码
想要自己实现一个 vector，读源码来理解他的实现是必不可少的一个步骤，
但是，当我们拿到 vector 的源码之后，一堆代码，我们应该从何看起呢？
我们当然是从一个类的核心读起，也就是从他的成员变量开始读：
这里我们找到了他的成员变量，他的类型是 iterator，这又是个啥，
我们来溯源一下：
我们可以看到，实际上 iterator 就是一个T* 的指针类型，
而 iterator 是迭代器，这里我们也可以大致猜到，vector 的迭代器其实就是原生指针。
回归正题，那他的成员函数有什么作用呢？
这个时候我们就可通过去看他的：构造函数 + 插入接口，来进一步的了解：
先来看构造函数，其他的就是一些重载，而且具体的实现也封装起来了，
但是我们看他的默认构造也看不出什么名堂来，只是都初始化成0了，
那我们还是得去看看他的插入接口：
源码的 push_back 说，如果 finish != end_of_storage 就调 construct 然后 finish++
这里我们可以先猜一下源码的意思，他给了 start，finish，end_of_storage，
那其实我们可以菜 start 是数组开始的位置，finish 是结束的位置，
end_of_storage 是数组容量的最后一个位置，那这个 if 语句的判断就是如果数组没满，
就插入一个数据，让 finish++，这里我们暂时不知道 construct 究竟是什么，
但是看源码千万不要陷进一些细节，我们先把大的框架给看好先，那这个时候，
我们就可以大概猜到，else 里面的就是需要扩容的逻辑，他调用了 insert_aux，
那我们就再去看一看这个函数：
这个函数很大，我就一点一点分析啊，
一开始是又进行一次判断，这里的 insert 不一定是只被 push_back 使用的，
所以可能其他地方调用的时候需要这一个判断：
然后我们来看 else 里面的逻辑，首先这里是扩容的策略，
如果第一次就扩容成 1，如果是其他情况就双倍扩容，
然后这里调用的是 allocate 也就是STL自己的空间配置器来要内存，
应为STL比较嫌弃 malloc 开内存的速度啊，就自己内部实现了一个内存池。
然后这一段逻辑就是拷贝数据到新的空间，
然后又调用了 construct 把数据插入进去，这里我还是先不看他的底层实现啊：
然后最后这里就是把旧的空间释放掉，然后更新成员变量：
然后我这里再补充一个小的点：
这里使用的就是 try catch 来捕获异常的操作，为了防止内存泄漏 catch 这里有销毁内存的操作，
这个时候不得不吐槽一下老 C++ 程序员的爱好，使用宏，总是喜欢搞一堆宏，让人很难受啊。
回归正题啊，这里我们是想搞懂成员变量的含义啊，但是他的 push_back 封装的比较复杂，
所以我们再去看一个扩容的逻辑（reserve）验证我们刚刚的猜想：
其他的我们不在意啊，就来看着几个成员变量的操作，
start = tmp，这里就差不多能证实 start 指向的是数组的开头位置了，
finish = tmp + old_size，这里的 old_size 不就是以前的数据大小吗，那 finish 也没错，
end_of_storage = start + n，reserve 函数传来的 n 就是要扩容到的容量大小，
那我们就大致了解了他的成员变量的含义了。
刚刚说好的，来看看 construct 的实现是怎么样的：
发现没有，construct 其实就是一个定位 new，如果我们需要给一个自定义类型开空间，
那我们就不能直接调用 malloc 了，得调用该自定义类型的构造函数，
而这个 destroy 为什么也把它放出来呢，因为清理资源的时候，他调用的destroy，
其实就是在调用自定义类型的析构函数来清理资源。
2. 框架搭建
那我们话不多说，直接开始写我们自己的 vector。
先来快速打个架子，让代码跑起来：
#pragma once
#include
#include
using namespace std;
namespace xl {
template
class vector {
public:
typedef T* iterator;
private:
iterator _start;
iterator _finish;
iterator _end_of_storage;
public:
vector()
: _start(nullptr)
, _finish(nullptr)
, _end_of_storage(nullptr)
{}
public:
iterator begin() {
return _start;
}
iterator end() {
return _finish;
}
public:
void reserve(size_t n) {
if (n > capacity()) {
size_t old_size = size();
T* tmp = new T[n];
if (_start) {
for (size_t i = 0; i < size(); i++) {
tmp[i] = _start[i];
}
delete[] _start;
}
_start = tmp;
_finish = _start + old_size;
_end_of_storage = _start + n;
}
}
void push_back(const T& x) {
if (_finish == _end_of_storage) {
size_t new_capacity = capacity() == 0 ? 4 : capacity() * 2;
reserve(new_capacity);
}
*_finish = x;
_finish++;
}
public:
int size() const {
return _finish - _start;
}
int capacity() const {
return _end_of_storage - _start;
}
};
} 我们实现了一个构造，一个 push_back，一个最基本的迭代器，
现在我们可以把代码跑起来了：
void test() {
xl::vector v;
v.push_back(1);
v.push_back(2);
v.push_back(3);
v.push_back(4);
v.push_back(5);
for (auto e : v) cout << e << " ";
cout << endl;
} 这里我们是直接用范围for，因为范围for 没问题，迭代器肯定没问题。
来看结果：
这里我们再把重要的析构函数给加上：
~vector()
{
if (_start) {
delete[] _start;
_start = _finish = _end_of_storage = nullptr;
}
}3. vector 的迭代器
我们来看这样一个场景：
void Print(const vector& v) {
for (auto e : v) cout << e << " ";
cout << endl;
}
void test2() {
xl::vector v;
v.push_back(1);
v.push_back(2);
v.push_back(3);
v.push_back(4);
v.push_back(5);
for (auto e : v) cout << e << " ";
cout << endl;
Print(v);
} 实际上，编译器报错了：
这是为什么呢？
我们搭建框架的时候，只实现了普通迭代器，
这里我们传参的时候加了 const 导致出现了权限放大的情况，
所以我们需要重载一份 const 迭代器：
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;
}我们赶紧来测试一手：
void Print(const xl::vector& v) {
for (auto e : v) cout << e << " ";
cout << endl;
}
void test2() {
xl::vector v;
v.push_back(1);
v.push_back(2);
v.push_back(3);
v.push_back(4);
v.push_back(5);
for (auto e : v) cout << e << " ";
cout << endl;
Print(v);
} 输出：
4. vector 的拷贝构造与赋值
拷贝构造
这里就实现一下传统写法：
// 传统写法
vector(const vector& v)
: _start(nullptr)
, _finish(nullptr)
, _end_of_storage(nullptr)
{
_start = new T[v.capacity()];
for (size_t i = 0; i < v.size(); i++) {
_start[i] = v._start[i];
}
_finish = _start + v.size();
_end_of_storage = _start + v.capacity();
} 当然啦，实现方法有很多，怎么舒服怎么来就好~
赋值
这里我就直接用现代写法啦，因为实现起来真的和方便：
void swap(vector& v) {
std::swap(_start, v._start);
std::swap(_finish, v._finish);
std::swap(_end_of_storage, v._end_of_storage);
}
// 现代写法
vector& operator=(vector v) {
swap(v);
return *this;
} 5. vector 的常见重要接口实现
operator[ ] 的实现
T operator[](size_t pos) {
assert(pos < size());
return _start[pos];
}
const T operator[](size_t pos) const {
assert(pos < size());
return _start[pos];
}来测试一下：
void test1() {
xl::vector v;
v.push_back(1);
v.push_back(2);
v.push_back(3);
v.push_back(4);
v.push_back(5);
for (int i = 0; i < 5; i++) {
cout << v[i] << " ";
}
cout << endl;
} 输出：
insert 接口的实现
void insert(iterator pos, const T& x) {
assert(pos >= _start && pos <= _finish);
if (_finish == _end_of_storage) {
size_t len = pos - _start; // 防止迭代器失效的问题（扩容之后pos仍指向旧空间）
size_t new_capacity = capacity() == 0 ? 4 : capacity() * 2;
reserve(new_capacity);
pos = _start + len;
}
iterator end = _finish - 1;
while (end >= pos) {
*(end + 1) = *end;
end--;
}
*pos = x;
_finish++;
}实现了 insert 之后，其实我们已经不需要自己实现 push_back 了，
直接复用 insert 就行了：
void push_back(const T& x) {
//if (_finish == _end_of_storage) {
// size_t new_capacity = capacity() == 0 ? 4 : capacity() * 2;
// reserve(new_capacity);
//}
//*_finish = x;
//_finish++;
insert(end(), x);
}我们来测试一下：
void test2() {
xl::vector v;
v.push_back(1);
v.push_back(2);
v.push_back(3);
v.push_back(4);
v.push_back(5);
for (auto e : v) cout << e << " ";
cout << endl;
} 还是这段代码，来看输出：
现在我们解决了 insert 内部的迭代器失效的问题，
再来看看这样一个场景：
void test2() {
xl::vector v;
v.push_back(1);
v.push_back(2);
v.push_back(4);
v.push_back(5);
xl::vector::iterator it = v.begin() + 2;
v.insert(it, 3);
*it += 10;
for (auto e : v) cout << e << " ";
cout << endl;
} 我们插入了一个 3 ，然后把 3 += 10 ，应该打印出 13 才对，
但是，来看输出：
为什么会还是打印 3 呢？
我们调试来看看：
目前为止还是正常的：
走到这里我们发现 it 指针变成随机值了，这是为什么？
我们虽然在 insert 实现的内部对扩容这里进行了防止迭代器失效的操作，
但是，形参的改变不影响实参，扩容之后旧空间就被释放了，导致了迭代器失效。
那我们该怎么解决呢？
我们看看源码是咋实现的：（当有细节问题的时候，就可以看看源码的实现细节了）
源码里面使用的操作，是搞了个返回值，
就是返回指向新插入位置的迭代器，如果源码看不太懂，可以去看看文档是怎么说的：
这是文档对这个返回值的描述。
erase 接口实现
void erase(iterator pos) {
assert(pos >= _start && pos < _finish);
iterator it = pos + 1;
while (it != _finish) {
*(it - 1) = *it;
it++;
}
_finish--;
}我们来测试一下：
void test3() {
xl::vector v;
v.push_back(1);
v.push_back(2);
v.push_back(3);
v.push_back(4);
xl::vector::iterator it = v.begin();
v.erase(it);
for (auto e : v) cout << e << " ";
cout << endl;
}
输出：
好像没什么问题，但其实并不是这样的，我们再来看一个场景：
void test3() {
xl::vector v;
v.push_back(1);
v.push_back(2);
v.push_back(3);
v.push_back(4);
v.push_back(5);
xl::vector::iterator it = v.begin();
while (it != v.end()) {
v.erase(it);
it++;
}
for (auto e : v) cout << e << " ";
cout << endl;
} 输出：
怎么就崩了呢？
erase 以后，迭代器是有可能会失效的，我们试试库里的：
跑刚刚的代码：
实际上，VS的库里做了强制的检查，他不让我们访问 erase 之后的迭代器，
所以我们让 it++ 程序就报错了。
那库里是怎么处理的呢？
还得看看源码是怎么样的：
我们发现，他也是通过返回值来解决这个问题的，
我们也可以很容易的看出，返回值返回的就是原来位置的迭代器，
根据这个特性，我们测试一下：
void test3() {
vector v;
v.push_back(1);
v.push_back(2);
v.push_back(3);
v.push_back(4);
v.push_back(5);
vector::iterator it = v.begin();
while (it != v.end()) {
it = v.erase(it);
}
for (auto e : v) cout << e << " ";
cout << endl;
} 输出：
确实是都删除掉了，那我来改一改我们的代码：
iterator erase(iterator pos) {
assert(pos >= _start && pos < _finish);
iterator it = pos + 1;
while (it != _finish) {
*(it - 1) = *it;
it++;
}
_finish--;
return pos;
}这样就没问题了：
pop_back 接口的实现
这个就直接复用 erase 就好了：
void pop_back() {
erase(end() - 1);
}resize 接口实现
这里我们先补充一个新知识：
C++ 有了模板之后，对内置类型有了升级，他们也可以使用构造函数初始化，
来看代码：
void test4() {
int i = 0;
int j = 1;
int a = int();
int b = int(1);
cout << i << " " << j << " " << a << " " << b << endl;
}
输出：
好，我们再来看这个接口：
void resize(size_t n, const T& val = T()) {
if (n < size()) {
_finish = _start + n;
}
else {
reseve();
while (_finish != _start + n) {
*_finish = val;
_finish++;
}
}
}这样我们给 val 缺省值的时候，就可以覆盖自定义类型和内置类型了。
vector 的接口当然不止这些，但是最核心的我们基本都实现了，其他的接口有兴趣再实现吧~
源码分享
Gitee链接：模拟实现简易STL: 模拟实现简易STL (gitee.com)
写在最后：
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