[C++]vector使用和模拟实现

作者： 华丞臧
​​​​专栏：【C++】
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一、vector的使用

C++中提供了vector容器，该容器是以连续的空间来存放数据，可以理解为封装过的数组，且这个数组是定义在堆上的。本章介绍一些vector的常用接口，更多的接口使用方法可以参考cplusplus网站。

1.1 常用构造

C++98中，vector提供了四个构造函数的接口，这些都是比较常用的，operate=也是非常常用的。
实例代码如下：

void Print(vector<int>& v)
{
	for (auto a : v)
	{
		cout << a << " ";
	}
	cout << endl;
}
void test1()
{
	vector<int> v1; // 创建一个空对象
	vector<int> v2(5, 1); // 创建元素类型为int，元素个数为5的vector，并用1进行初始化
	vector<int> v3(v2.begin(), v2.end()); // 迭代器创建v3
	vector<int> v4(v3); // 拷贝构造
	vector<int> v5 = v4; // operate=
	Print(v1);
	Print(v2);
	Print(v3);
	Print(v4);
	Print(v5);
}

代码运行结果：

1.2 迭代器

迭代器无疑是vector容器较为重要的接口之一了，其中较为常用就是begin和end。有了迭代器后，我们就可以通过迭代器对容器中的数据进行访问读取修改等操作；迭代器隐藏了实现细节提供了统一的使用方式，同时迭代器还是范围for的底层实现。
实例代码如下：

void test2()
{
	vector<int> v1(10, 0);
	for (int i = 0; i < 10; i++)
		v1[i] = i;
	vector<int>::iterator it = v1.begin();
	// vector::const_iterator it = v1.cbegin();
	while (it != v1.end())
	{
		cout << *it << " ";
		++it;
	}
	cout << endl;

	vector<int>::reverse_iterator it2 = v1.rbegin();
	// vector::const_reverse_iterator it2 = v1.crbegin();
	while (it2 != v1.rend())
	{
		cout << *it2 << " ";
		++it2;
	}
	cout << endl;
}

从实例中可以看到，迭代器的使用方式与指针非常相似，但其实迭代器并不一定是指针。

1.3 容量

在vector容器提供的对容量操作的接口中，我们可以使用size查询当前vector容器中有效元素的个数，使用resize来增加有效元素的个数，使用capacity查看vector容器的容量大小，判断vector容器是否为空使用empty，reserve则是用来扩容的。
注意：resize不仅可以扩容，还可以缩容，但是不推荐，缩容会付出很大的代价。
实例代码如下：

void test3()
{
	vector<int> v;
	cout << "size: " << v.size() << endl;
	v.resize(10, 0);
	int i = 0;
	for (auto& e : v)
	{
		cout << e << " ";
		e = i++;
	}
	cout << endl;
	cout << "size: " << v.size() << endl;

	v.reserve(100);
	cout << "capacity: " << v.capacity() << endl;
	if (v.empty())
	{
		cout << "empty" << endl;
	}
	else
	{
		cout << "nonempty" << endl;
	}

	v.resize(5);  // 可以缩容
	for (auto a : v)
	{
		cout << a << " ";
	}
	cout << endl;
	cout << "size: " << v.size() << endl;
}

代码运行结果：

1.4 访问元素

• 对于vector来说，访问元素最好用的无疑是[]。在C++中，vector是一个容器，其底层是一段连续的空间类似数组；而[]的重载让vector可以像数组一样使用，只需要提供下标即可访问特定位置上的元素。at与[]类似，获取第n个位置上的元素。
• front用来获取vector首部元素，返回引用或const引用。
• back用来获取vector尾部元素，返回引用或const引用。

void test4()
{
	vector<int> v(10, 0);
	for (int i = 0; i < 10; i++)
		v[i] = i;
	cout << v[5] << endl;
	cout << "front: " << v.front() << endl;
	cout << "back: " << v.back() << endl;
}

代码运行结果如下：

1.5 修改元素

在官方库提供的修改元素的接口中，常见的接口有push_back、pop_back、insert、erase、swap、clear。不过因为vector实际是一段连续的空间，因此在指定位置插入删除效率极低，通常不会使用，当然还是得看实际需要使用。

二、vector模拟实现

2.1 vector接口

#include 
#include 

using namespace std;

namespace zch
{
    template<class T>
    class vector{
    public:
        typedef T* iterator;
        typedef const T* const_iterator;
    public:
        iterator begin();
        iterator end();
        const_iterator begin() const;
        const_iterator end() const;
    public:
        vector(); 
        template<class InputIterator>
        vector(InputIterator first, InputIterator last);
        vector(size_t n, const T& val);
        vector(long n, const T& val);
        vector(int n, const T& val);
        vector(const vector<T>& v);
        vector<T>& operator=(const vector<T>& v);
        void push_back(const T& val);
        void pop_back();
        iterator insert(iterator pos, const T& val);
        iterator erase(iterator pos);
        void reserve(int n);
        void resize(size_t n, const T& val = 0);
        size_t capacity() const;
        size_t size() const;
        bool empty() const;
        T& operator[](size_t i) const;
        ~vector();
        void print();
    private: 
        iterator _start;  // 头部
        iterator _finish; // 尾部
        iterator _endofstorage; // 结束位置，标记容量大小
    };
}

2.2 接口实现

2.2.1 构造和拷贝构造

在C++98中，vector官方库提供了4种构造函数，分别是空对象构造、迭代器构造、拷贝构造以及给定数量和初始值的构造，那么在我们自己实现的vector中也可以尝试提供这几种构造函数的接口。

需要注意的是给定元素数量和初始值得构造函数，其中用户在传值时元素个数的类型不确定，是否为有符号类型也不确定，因此为了防止传值时发生强制类型转换存在隐患，我们可以每个类型都重载一个接口。

vector()
:_start(nullptr)
,_finish(nullptr)
,_endofstorage(nullptr)
{
    cout << "默认构造" << endl;
}   

template<class InputIterator>
vector(InputIterator first, InputIterator last)
:_start(nullptr)
,_finish(nullptr)
,_endofstorage(nullptr)
{
    cout << "迭代器构造" << endl;

    for(; first != last; ++first)
    {
        push_back(*first);
    }
}

vector(size_t n, const T& val)
:_start(nullptr)
,_finish(nullptr)
,_endofstorage(nullptr)
{
    reserve(n);
    for(int i = 0; i < n; ++i)
    {
        push_back(val);
    }
}

vector(long n, const T& val)
:_start(nullptr)
,_finish(nullptr)
,_endofstorage(nullptr)
{
    reserve(n);
    for(int i = 0; i < n; ++i)
    {
        push_back(val);
    }
}

vector(int n, const T& val)
:_start(nullptr)
,_finish(nullptr)
,_endofstorage(nullptr)
{
    reserve(n);
    for(int i = 0; i < n; ++i)
    {
        push_back(val);
    }
}

vector(const vector<T>& v)
:_start(nullptr)
,_finish(nullptr)
,_endofstorage(nullptr)
{
    cout << "拷贝构造" << endl;

    _start = new T[v.capacity()];
    for(int i = 0; i < v.size(); ++i)
    {
        _start[i] = v[i];
    }
    _finish = _start + v.size();
    _endofstorage = _start + v.capacity();
}

2.2.2 迭代器

前文提到过，vector容器是一种空间连续的容器，因此vector的迭代器实现较为简单，只需要返回其指定位置的指针即可。这里我实现了简单的正向迭代器的const和非const接口，反向迭代器实现较为复杂，需要封装并重载operator++。

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;
    }

2.2.3 增删元素

push_back

对于push_back而言，唯一需要注意的就是扩容的问题。我这里采用每次扩容2倍的策略，这样既不会频繁扩容，也不会造成空间浪费。

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

pop_back

void pop_back()
{
    assert(!empty());
    --_finish;
}

insert

insert除了需要注意扩容的问题，还需要注意边界情况下元素插入问题。同时在插入元素时还需要挪动元素，因此insert插入位置越靠近头部效率越低。在官方库中，insert返回一个迭代器类型。

iterator insert(iterator pos, const T& val)
{
    if(_finish == _endofstorage)
    {
        size_t len = pos - _start;
        size_t newCapacity = capacity() == 0? 4 : 2 * capacity();
        reserve(newCapacity);
        pos = _start + len;
    }

    iterator end = _finish;
    while(end >= pos + 1)
    {
        *end = *(end - 1);
        --end;
    }

    *end = val;
    ++_finish;
}

erase

与insert类似的是，erase也需要挪动数据，因此效率也较低，同样erase返回一个迭代器类型。

iterator erase(iterator pos)
{
    assert(!empty());
    for(iterator i = pos; i < _finish - 1; ++i)
    {
        *i = *(i + 1);
    }

    --_finish;
    return pos;
}

clear

在模拟实现的vector中，_start表示首部，_finish表示最后一个有效元素的下一个位置。

void clear()
{
	_start = _finish;
}

swap

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

2.2.4 访问元素

operate[]

vector重载了[]，这样我们使用下标就可以访问并且修改vector当中的元素。

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

2.2.5 容量

reserve

用来扩容，这里实现的reserve不支持缩容，并且只有扩容大小大于原有容量大小才会扩容，一般也不会用到缩容。

void reserve(int n)
{
    if(n > capacity())
    {
        T* start = new T[n];
        size_t sz = size();
        if(_start)
        {
            for(int i = 0; i < sz; ++i)
            {
                start[i] = _start[i];
            }
        }

        swap(start, _start);
        _finish = _start + sz;
        _endofstorage = _start + n;
        delete[] start;
    }
}

resize

用来对有效元素的操作，可以进行扩容，与reserve不同，resize会改变对象中有效元素的个数。

void resize(size_t n, const T& val = 0)
{
    if(n < size())
    {
        _finish = _start + n;
    }
    else
    {
        if(n > capacity())
        {
            reserve(n);
        }

        while(_finish < _start + n)
        {
            //push_back(val);
            *_finish = val;
            ++_finish;
        }
    }
}

capacity

获取vector对象容量大小

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

size

获取vector有效元素个数。

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

empty

清空元素。

bool empty() const
{
    return _start == _finish;
}

2.3 测试

void test1()
{
    zch::vector<int> a;
    for(int i = 0; i < 10; ++i)
    {
        a.push_back(i);
    }
    a.print();

    zch::vector<int> b(10, 5);
    b.print();

    a.resize(20);
    b.resize(5);

    a.print();
    b.print();

    vector<int> c;
    c.reserve(20);
    cout << c.size() << " " << c.capacity() << endl;
    if(c.empty())
    {
        cout << "yes" << endl;
    }
    else 
    {
        cout << "no" << endl;
    }

    vector<int> d = a; 
    a.insert(a.begin(), 55);
    b.insert(b.begin() + 5, 55);
    a.erase(a.begin());
    a.print();
    b.print();
    d.print();
}

程序测试结果如下图所示：