C++类——Vector容器的模拟实现
目录
一.vector类的成员变量：
二.Vector类的初始化方式：
三.vector的基本成员函数
四.vector类的增删查改：
指针失效问题：
insert():
代码解析：
erase():
代码解析：
所以erase()函数的正确写法:
五迭代器：
六：构造函数新写法：
6.2非法寻址报错
解决方法:
七.拷贝构造和赋值重载
7.1拷贝构造：
7.2赋值重载函数
在上篇博客中，我们主要学习了STL的容器之一——vector(顺序表)，理解了它的底层原理，在多个例子的测试和运行结果中，我们学会了众多成员函数的特性，感兴趣的小伙伴们可以点击下方的链接看一看：
zzC++STL——vector类_橙予清的zzz~的博客-CSDN博客
https://blog.csdn.net/weixin_69283129/article/details/131899708?spm=1001.2014.3001.5502
为了更加深刻的理解vector容器，今天我们就来剖析剖析vector类的底层实现代码！
注：此次实现只是能够大致模拟出vector的底层原理和成员函数实现！
一.vector类的成员变量：
template
class vector {
public:
typedef T* iterator;
private:
iterator _start;
iterator _finish;
iterator _endof_enocrage;
};
由上可知：vector作为顺序表可以存储任意类型的数据，那么就需要用到泛型模板，而成员变量的类型全都是泛型(T*)指针：
成员1：_start指向的是容器vector里指向数组的首地址；
成员2：_finish指向的是容器vector数组中存放的最后一个数据位置的下一个位置；
成员3：_endof_storage指向的是容器vector数组中总容量的下一个位置。
二.Vector类的初始化方式：
template
class vector {
public:
typedef T* iterator;
vector() //构造函数——无参构造
:_start(nullptr)
, _finish(nullptr)
, _endof_enocrage(nullptr)
{
}
//扩容函数
void reserve(size_t n) {
if (n > capacity()) {
size_t len = size(); //标记原来的存储长度
T* tmp = new T[n]; //默认为异地扩容
//memcpy(_start, tmp, sizeof(T) * len);
for (size_t i = 0; i < len; ++i) {
tmp[i] = _start[i]; //将原来空间的数据传到新空间中
}
}
delete[] _start; //释放旧空间
_start = tmp;
_endof_enocrage = _start + n; //重新赋值
_finish = _start + len;
}
}
~vector() { //析构
delete[] _start;
_start = _finish = _endof_enocrage = nullptr;
}
private:
iterator _start;
iterator _finish;
iterator _endof_enocrage;
};
因为成员变量都是指针的缘故，构造函数对其成员变量做初始化只需要先构造为空指针即可——利用初始化列表进行。
若是对vector类对象增添数据时，需要提前判断，并且使用reserve扩容函数进行即可。
而析构函数中只需要删除_start指向的堆区空间即可，因为_start永远指向空间的首元素地址，_start一释放，_finish和_endof_enocrage就全变为了野指针，到时候只需要置空即可。
三.vector的基本成员函数
根据这些成员变量我们可以轻松的写出这些函数的底层实现：
bool empty() const { //判空
return _finish == _start;
}
void clear() {
_finish = _start; //只清数据，不释放空间，也不清容量
}
size_t size()const { //获取数据存储长度
return _finish - _start;
}
size_t capacity() const { //获取数组现有容量
return _endof_enocrage - _start;
}
size_t max_size() const { //获取数组能存储的最大数据数量
size_t max = -1;
return (max / 4);
}
void resize(size_t n, T val = T()) { //调整数组已存数据大小，分三种情况
if (n > capacity()) {
reserve(n);
}
if (n > size()) {
while (_finish < _endof_enocrage) {
*_finish = val;
++_finish;
}
}
else {
_finish = _start + n;
}
}对于size()和capacity()函数来说，使用的都是指针-指针的方式求出整型数据量。
对resize()函数底层看不懂的，可以去上边我发的链接中了解了解resize()函数的功能特性！
四.vector类的增删查改：
template
class vector {
public:
void push_back(const T& val) { //尾插
//若插入的时候空间不够，先扩容
if (_finish == _endof_enocrage) {
size_t newcapacity = capacity() == 0 ? 4 : capacity() * 2;
reserve(newcapacity);
}
*_finish = val; //插入数据
++_finish;
}
void pop_back() { //尾删
assert(!empty());
--_finish;
}
//[]重载运算符函数——用于查看或者修改vector类对象的数据
T& operator[](size_t pos) {
assert(pos < size());
return _start[pos];
}
}; 指针失效问题：
这个问题关系到insert()和erase()两个函数的使用：
insert():
iterator insert(iterator pos, const T& val) {
assert(pos >= _start);
assert(pos < _finish);
size_t len = pos - _start;
if (_finish == _endof_enocrage) {
size_t newcapacity = capacity() == 0 ? 4 : capacity() * 2;
reserve(newcapacity); //扩容
//更新pos位置
pos = _start + len;
}
//挪动位置
iterator end = _finish - 1;
while (end >= pos)
{
*(end + 1) = *end;
--end;
}
//插入数据
*pos = val;
++_finish;
return pos; //返回pos即可
}代码解析：
语句1： assert(pos >= _start); //允许头插，中间插
语句2： assert(pos < _finish); //不允许尾插，因为有push_back()语句3： size_t len = pos - _start; //记录扩容前的pos位置，这是为下文埋下的伏笔！
语句4： pos = _start + len; //因为扩容后pos的位置会失效，所以需要重新更新pos的指向：pos的类型是指针，且pos也是指向vector数组空间的某个位置的，若是当前vector数组可能已经满容量了，需要进行扩容，意味着会发生异地扩容的情况，异地扩容后，系统会为其重新分配一块空间，那么原来的地址空间就失效了， pos原本指向旧地址空间的特定，旧空间的地址也就不属于vector了，pos成为野指针！，所以需要重新变更pos位置的值才行！！！——这就是指针失效的解决方法。
剩下的就是挪动pos位置的数据，为pos位置留下一个数据空位，供该位置增添数据。
举个例子：
如上图：就是在该数组的元素3位置(pos)处增添一个数据9，pos的值应该是：_start+8处(_start指向的数组首元素地址，pos位置的值就需是指向_start的两个元素(int是4字节)之后的地址) 。
现在由于该数组容量已满，需要扩容，重新划分一块堆区空间：
那么pos的值就不能再指向旧空间的0x1122334c了，需要重新根据_start的地址进行+8处理。，否则就是产生insert指针失效问题！
erase():
void erase(iterator pos) {
assert(pos >= _start);
assert(pos < _finish);
iterator end = pos + 1;
//挪动数据
while (end < _finish) {
*(end - 1) = *end;
++end;
}
--_finish;
}代码解析：
erase函数的指针失效问题在于案例测试上，代码没有什么需要注意的地方，因为删除元素不会影响扩容缩容等问题，_start和pos位置也就不需要变更。
erase删除pos位置元素后，pos位置之后的元素会往前搬移，没有导致底层空间的改变，理论上指针不应该会失效。
但是，若是出现了下面这种情况：即pos刚好是指向最后一个元素位置，那么删完之后，成员变量_finish指针就会往前挪一个元素位置，pos也就与该指针指向同一块位置，而endof_enocrage的位置是没有元素存储的，那么pos现在就处于越界状态。这种特殊情况会导致erase后指针失效，那么之后想要再使用之前pos指针就会发生报错等问题！为了统一普通情况和特殊情况pos位置的安全性，我们就认为erase后，pos位置指针失效了！
所以解决方法为：加上erase的函数返回值类型为pos指针类型，每次使用完erase函数后都及时在外部更新pos位置。这样就不会导致其失效了。
所以erase()函数的正确写法:
iterator erase(iterator pos) {
assert(pos >= _start);
assert(pos < _finish);
iterator end = pos + 1;
while (end < _finish) {
*(end - 1) = *end;
++end;
}
--_finish;
return pos;
}加上返回值和函数返回值类型。
试验代码：
void Test15() {
Cheng::vector v1;
for (int i = 1; i < 5; ++i) {
v1.push_back(i);
}
for (auto& e : v1) {
cout << e << " ";
}
cout << endl;
//删除所有偶数
auto pos = v1.begin();
while (pos != v1.end()) {
if (*pos % 2 == 0) {
pos=v1.erase(pos); //更新it，否则it会失效，出现错误
}
//若*it%2!=0，则++it(跳过)
else {
++pos;
}
} 五迭代器：
template
class vector {
public:
typedef T* iterator;
//迭代器
iterator begin() {
return _start;
}
iterator end() {
return _finish;
}
//const迭代器
const_iterator begin() const {
return _start;
}
const_iterator end() const {
return _finish;
}
private:
iterator _start;
iterator _finish;
iterator _endof_enocrage;
}; 由于迭代器的begin、end等都是指针，那么类型自然与成员变量的类型相同都是泛型指针。
迭代器的价值：
这里讲一下迭代器的价值！
迭代器是每一个STL容器中都配备的一个组件，它的作用相当大！
作用1：封装底层实现，不暴露底层实现的细节。
作用2：提供统一的访问方式，降低了成本。
六：构造函数新写法：
如上图，这是C++官方库中给出的关于vector类的构造函数，有很多种构造函数，有了这些构造函数，可以让我们构建不同的vector对象，如下图：
所以我们也可以构建几个常用的vector构造函数进行实现：
vector() //无参构造法
:_start(nullptr)
, _finish(nullptr)
, _endof_enocrage(nullptr)
{
}
//vector带参构造函数法
vector(size_t n,const T& val = T())
:_start(nullptr)
, _finish(nullptr)
, _endof_enocrage(nullptr) {
reserve(n);
for (int i = 0; i < n; ++i) {
push_back(val);
}
}
//迭代器区间构造法
template
vector(InputIterator first, InputIterator last)
:_start(nullptr)
,_finish(nullptr)
,_endof_enocrage(nullptr) {
while (first != last) {
push_back(*first);
++first;
}
} 6.2非法寻址报错
在测试使用这些构造函数时，我发现了一个问题，当我执行下面这两句代码时，代码产生了编译报错！：
vectorv1(5); vector
v2(5,'a');
class vector{
public:
//vector带参构造函数法
vector(size_t n,const T& val = T())
:_start(nullptr)
, _finish(nullptr)
, _endof_enocrage(nullptr) {
reserve(n);
for (int i = 0; i < n; ++i) {
push_back(val);
}
}
//迭代器区间构造法
template
vector(InputIterator first, InputIterator last)
:_start(nullptr)
,_finish(nullptr)
,_endof_enocrage(nullptr) {
while (first != last) {
push_back(*first);
++first;
}
}
void push_back(const T& val) { //尾插
//若插入的时候空间不够，先扩容
if (_finish == _endof_enocrage) {
size_t newcapacity = capacity() == 0 ? 4 : capacity() * 2;
reserve(newcapacity);
}
*_finish = val; //插入数据
++_finish;
}
private:
iterator _start;
iterator _finish;
iterator _endof_enocrage;
};
int main(){
vector v1;
for (size_t i = 0; i <4; ++i) {
v1.push_back(i);
}
vector v2(5,1); //本意：创建5个元素，且全赋值为1
} 传两个参数报错：非法的间接寻址
原因在于将vector类对象实例化时，编译器会根据类对象后面给出的参数进而寻找最匹配的构造函数，5,1都是int类型，和半缺省的size_t和T虽不是最匹配，但能用；而和迭代器区间构造函数InputIterator最匹配，但这俩参数并不能代入迭代器区间中，编译器不能理解，产生了编译报错！
解决方法:
//vector带参构造函数法
vector(size_t n,const T& val = T())
:_start(nullptr)
, _finish(nullptr)
, _endof_enocrage(nullptr) {
reserve(n);
for (int i = 0; i < n; ++i) {
push_back(val);
}
}
//vector带参构造函数
vector(int n,const T& val = T())
:_start(nullptr)
, _finish(nullptr)
, _endof_enocrage(nullptr) {
reserve(n);
for (int i = 0; i < n; ++i) {
push_back(val);
}
}
//迭代器区间构造法
template
vector(InputIterator first, InputIterator last)
:_start(nullptr)
,_finish(nullptr)
,_endof_enocrage(nullptr) {
while (first != last) {
push_back(*first);
++first;
}
} 再写一个int类型的vector带参构造函数，这样创建类对象时vector
七.拷贝构造和赋值重载
7.1拷贝构造：
vector(const vector& v)
:_start(nullptr)
,_finish(nullptr)
,_endof_enocrage(nullptr)
{
_start = new T[v.capacity()];
size_t len = v.size();
memcpy(_start, v._start, sizeof(T) * len);
_finish = _start+len;
size_t capa = v.capacity();
_endof_enocrage = _start + capa;
}
拷贝构造的本质上就是拷贝形参v的所有数据，而默认构造函数的拷贝方式是浅拷贝，对于内置类型来说，浅拷贝是正常的做法；但对于有指针开辟堆区空间的成员来说，浅拷贝无疑会造成内存泄漏，析构同一块空间多次的情况，所以浅拷贝得自己写才行！
所以针对深拷贝的情况，那么就得让拷贝的对象拥有一块自己的空间，剩下的就是复制被拷贝对象的数据了。
上面的代码为传统写法的代码，而拷贝构造还有一种更间接方便的形式：
//交换函数
void Swap(vector& v) {
std::swap(_start, v._start);
std::swap(_finish, v._finish);
std::swap(_endof_enocrage, v._endof_enocrage);
}
//拷贝构造
vector(const vector& v)
:_start(nullptr)
, _finish(nullptr)
, _endof_enocrage(nullptr)
{
//引用传参就得新创建对象tmp，否则直接传swap(v)就是浅拷贝
vector tmp(v.begin(), v.end());
Swap(tmp);
} 首先，指派一个打工人帮你把被拷贝对象的数据做构造，你什么都不需要干，等打工人帮你把事情做好后，你就可以获取打工人所做的一切成果，然后把你自己的一无所有给了打工人，实现两者的交换，这样就完成了拷贝构造。
注：而对于两者的交换函数，我采用的是std库中的swap函数，利用this指针与形参的各个成员变量值做交换。
创建临时对象tmp时，编译器调用的是迭代器区间构造函数，意味着，tmp是自己开辟的一块堆区空间，并不是指向的v对象的_start空间，tmp也只是拷贝了对象v除_start以外的数据罢了，不会发生一块空间析构两次的情况！
7.2赋值重载函数
赋值重载函数与拷贝构造有着异曲同工之妙，所以赋值重载函数的传统写法我也就不写了。
直接展示新写法：
vector& operator=(const vector& v) {
//(引用传参不会在函数中开空间）
//所以需要创建临时对象(实例化空间）去swap拷贝
vector tmp(v.begin(), v.end());
this->Swap(tmp);
return *this;
} 赋值重载的新写法也是如出一辙，都是利用打工人去帮你做事情，然后使用交换函数，将各个成员变量进行交换，依次得到拷贝好的数据！