【C++进阶(二)】STL大法--vector的深度剖析以及模拟实现

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1. 前言

和string的学习不同
vector即要掌握它的用法
更要会自己去实现一个vector

本章重点:

熟悉STL库中vector的接口函数
自己实现一个简易vector类
本章只实现容量相关函数
和构造,析构,拷贝构造函数

注:vector其实就是顺序容器
string类只用考虑存储字符
然而vector中可以存储任一类型
所以vector的自我实现需要用模板

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2. 熟悉vector的接口函数

还是借助老朋友:cplusplus来查阅文档

库中的vector的模板参数有两个
后一个是内存池,用来提升空间利用效率
对于现阶段的学习而言可有可无

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2.1 vector的构造与拷贝构造

常见的构造有:

vector<int> v1;
vector<int> v2(10,1);
vector<int> v3(v2);

v2:构造并初始化10个值为1的顺序表

vector可以用迭代器区间初始化:

string str("abcdefg");
vector<string> vv(str.begin(),str.end());

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2.2 vector迭代器的使用

和string一样,vector有正向和反向
两种迭代器,且使用方法和string相同

vector<int> vv{1,2,3,4,5,6};
vector<int>::iterator it = vv.begin();
while(it!=vv.end())
{
	cout<<*it;
	it++;
}

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2.3 vector空间相关函数

vector的空间相关的函数
和string的机会一模一样
如果你看了文档还不懂的话
可以先阅读此篇文章:string接口函数

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2.4 vector的增删查改

push_back和pop_back
都是老朋友了,这里就不多说了
在介绍insert和erase之前
先来了解几个算法库的函数

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2.41 find,swap和sort

这三个函数都在头文件:algorithm中

find函数:参数是一段迭代器区间
以及在此区间你需要查找的值
找到后返回这个值对应的迭代器位置
若找不到,则返回迭代器last

find的使用:

vector<int> vv{1,2,3,4,5,6,7,8,9};
auto pos = find(vv.begin(),vv.end(),5);
cout<<*pos;

注:使用auto是为了简写迭代器也可以用
vector< int >::iterator替代

swap想必是大家的常客了
这里给它个面子,就不介绍它了

sort非常方便,它内部实现是快排
我们只需要传一个迭代器区间
就可以将整个区间排好序

sort的使用:

vector<int> vv{5,7,3,9,6,4,1,2,8};
sort(vv.begin().vv.end());

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2.42 insert和erase

和string不同,vector的insert
的参数pos不是整型,而是迭代器
默认是在pos位置前插入一个数据

insert和find常常配合在一起使用

在整型5前面插入一个100:

vector<int> vv{1,2,3,4,5,6,7,8,9};
auto pos = find(vv.begin(),vv.end(),5);
vv.insert(pos,100);

和string的erase不同,vector
的erase一次只删除一个数据
然而string如果使用缺省值就是
将全部数据删完

vector的erase甚至可以删除一段区间

删除顺序表中值为100的元素

vector<int> vv{1,2,3,4,5,6,7,8,9,100};
auto pos = find(vv.begin(),vv.end(),100);
vv.erase(pos);
//删除一个区间
vv.erase(vv.begin()+2,vv.end()-2);

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2.43 随机访问operator[ ]

vector中最喜欢用的是[ ]
它支持随机访问,是否方便

operator[]的使用:

vector<int> vv{1,2,3,4,5,6,7,8,9};
for(int i=0;i<vv.size();i++)
{
	cout<<vv[i]<<" ";
}

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3. vector的模拟实现

首先要关注的是成员变量
vector是顺序表,所以和实现C语言
时的顺序表一样,至少有三个参数

1. 指向一段空间的指针
2. 空间的有效大小
3. 空间的实际大小

由于vector的迭代器就是普通指针
所以成员变量的类型其实是迭代器

template<class T>
class vector
{
public:
	typedef T* iterator;

private:
	iterator _start;
	iterator _finish;
	iterator _endof_storage;

这里使用迭代器作为三个参数的类型
是因为:求vector的size和capacity时
可以直接使用finish-start
也就是指针相减求出长度

成员变量和空间的关系:

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3.1 vector容量相关函数

上来首先要考虑的容量相关的函数:

• size
• capacity
• empty
• resize
• reverse

前三个十分简单:

size_t size() const
{
	return _finish - _start;
}

size_t capacity() const
{
	return _endof_storage - _finish;
}

bool empty() const
{
	return (size()==0);
}

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3.11 reverse函数

reverse只会改变capacity的大小
并不会改变size的大小

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

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

注:当n小于capacity时,不进行扩容

由于C++内存管理的new
无法像C语言的realloc一样原地扩容
所以必须先开辟n个空间,再将数据
拷贝到新空间,且释放旧空间

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3.12 resize函数

resize即会改变size大小
也会改变capacity大小

resize要分三种情况:

1. n大于capacity时
2. n大于size小于capacity时
3. n小于size时

它们的解决方案分别是:

• 直接套用reversezhu

• 初始有效值不变,在此之后
初始化新的内容

• 直接将size缩小到n

void resize(size_t n, const T& val = T())
{
	if (n > capacity())
	{
		reserve(n);
	}

	if (n > size())
	{
		// 初始化填值
		while (_finish < _start + n)
		{
			*_finish = val;
			++_finish;
		}
	}
	else
	{
		_finish = _start + n;
	}
}

注:参数val=T()使用了匿名对象
C++将内置类型特殊处理过
int/char等等都被升级为了类
所以可以使用int()表示匿名对象

int tmp1 = int();
int tmp2 = int(10);

int的缺省值为0

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3.2 vector的构造函数

1. 首先最简单的无参构造:

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

2. 紧接着是带参的构造函数
   我们跟着STL库的风格走:

vector(size_t n, const T& val = T())
	:_start(nullptr)
	, _finish(nullptr)
	, _end_of_storage(nullptr)
{
	reserve(n);//开辟n个空间
	for (size_t i = 0; i < n; ++i)
	{
		push_back(val);//给初始值赋值
	}
}

3. 最后是使用迭代器区间来构造
   比如我想在顺序表中存放string类型:

string str("abcdefg");
vector<string> vv(str.begin(),str.end());

此时在模板类中还应该有一个模板

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

注:inputiterator取名是模仿STL的
你也可以取任一除了T的名字

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3.3 vector的析构函数

vector的析构函数非常简单
只需要将空间释放
并且将各个指针置为空就行了

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

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3.4 vector的拷贝构造函数

拷贝构造的实现有很多种写法
大家可以先自己尝试一下

vector(const vector<T>& v)
	:_start(nullptr)
	, _finish(nullptr)
	, _endof_storage(nullptr)
	{
		reserve(v.size());
		for (const auto& e : v)
		{
			push_back(e);
		}
	}

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4. 总结以及拓展

vector模拟实现的全部代码我将在
下一篇文章中分享给大家

可以发现:STL的神奇之处在于
它把所有接口函数都做了统一化处理
每一个容器的接口函数的使用都相似
但是内部实现被这种封装隐藏起来了
进一步又体现了C++的三大特性:封装

并且C++实现了所有容器通用的算法库
比如sort和find都只需要传迭代器
然而所有容器都会被迭代器封装
所以一份代码就能实现对不同容器的操作

拓展题目:

熟悉了vector的基本使用
可以尝试解决一下下面几个问题:

• 只出现一次的数字
• 删除有序数组中的重复项
• 数组中出现次数超过一半的数字
• 杨辉三角

留给大家当作小试牛刀了~

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下期预告:迭代器失效和深浅拷贝问题