C++：vector介绍、使用及模拟实现
本文主要介绍vector，vector的常用接口、迭代器实现问题以及常用接口的模拟实现。
目录
一、 vector的介绍和使用
1.vector介绍
2.vector的使用
1.vector的定义
2.vector iterator的使用
3.vector空间增长问题
4.vector增删查改
3.vector 迭代器失效问题
二、vector模拟实现
1.默认成员函数
1.构造函数
2.拷贝构造函数
3.赋值运算符重载
4.析构函数
2.迭代器相关函数
3.容量相关函数
1.size、capacity、empty函数
2.reserve函数及memcpy浅拷贝问题
3.resize函数
4.元素访问相关函数
5.vector的修改操作
1.insert函数
2.erase函数
3.push_back和pop_back函数
4.swap函数
三、完整代码
一、 vector的介绍和使用
1.vector介绍
vector文档
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。
2.vector的使用
1.vector的定义
| 构造函数声明 | 接口说明 |
|---|---|
| vector(); | 无参构造 |
| vector（size_type n, const value_type& val = value_type()）; | 构造并初始化n个val |
| vector (const vector& x); | 拷贝构造 |
| vector (InputIterator first, InputIterator last); | 使用迭代器进行初始化构造 |
void test1()
{
//以与上述相同的顺序使用的构造函数
vector v1; // 无参构造
vector v2(4, 100); // 4个值为100构造
vector v3(v2); // 拷贝构造
vector v4(v2.begin(), v2.end()); // 迭代器拷贝v2的一段内容
} 其中，使用迭代器构造的参数类型InputIterator为模板，可以传入能够转化为vector当前类型的数据。
string str("hello");
vector(str.begin(),str.end()); 2.vector iterator的使用
| iterator的使用 | 接口说明 |
|---|---|
| begin + end | 获取第一个数据位置的iterator/const_iterator， 获取最后一个数据的下一个位置 的iterator/const_iterator |
| rbegin + rend | 获取最后一个数据位置的reverse_iterator，获取第一个数据前一个位置的 reverse_iterator |
iterator begin();
const_iterator begin() const;
iterator end();
const_iterator end() const;
reverse_iterator rbegin();
const_reverse_iterator rbegin() const;
reverse_iterator rend();
const_reverse_iterator rend() const;void test2()
{
int array[] = { 1,2,3,4 };
vector v(array, array + 4);
// 使用迭代器进行遍历打印
vector::iterator it = v.begin();
while (it != v.end())
{
cout << *it << " ";
++it;
}
cout << endl;
// 使用迭代器进行修改
it = v.begin();
while (it != v.end())
{
*it +=1;
++it;
}
// 使用反向迭代器进行遍历再打印
vector::reverse_iterator rit = v.rbegin();
while (rit != v.rend())
{
cout << *rit << " ";
++rit;
}
cout << endl;
} 输出结果：1 2 3 4
5 4 3 2
3.vector空间增长问题
| 容量空间 | 接口说明 |
|---|---|
| size | 获取数据个数 |
| capacity | 获取容量大小 |
| empty | 判断是否为空 |
| resize | 改变vector的size |
| reserve | 改变vector的capacity |
1.size、capacity、empty
size_type size() const;
size_type capacity() const;
bool empty() const;void test3()
{
vector v(4, 10);
cout << v.size() << endl;//4
cout << v.capacity() << endl;//4
vector v1;
cout << v1.size() << endl;//0
cout << v1.capacity() << endl;//0
if (v1.empty() == true)
{
cout << "is empty";
}// is empty
} 2.resize和reserve
void resize (size_type n, value_type val = value_type());
void reserve (size_type n);resize：
当参数大于size且大于capacity时，将size和capacity扩容至n，扩容的空间用val初始化，默认为0，小于capacity时，capacity不做修改。
当参数小于size时，将size变为n。
reserve：
当参数大于capacity时，扩容至n。
当参数小于capacity时，不做修改。
void test3()
{
vector v(5, 1);
cout << v.size() << endl;//5
cout << v.capacity() << endl;//5
v.reserve(10);
cout << v.size() << endl;//5
cout << v.capacity() << endl;//10
v.resize(15,2);
cout << v.size() << endl;//15
cout << v.capacity() << endl;//15
v.resize(10, 2);
cout << v.size() << endl;//10
cout << v.capacity() << endl;//15
} 4.vector增删查改
| vector增删查改 | 接口说明 |
|---|---|
| push_back | 尾插 |
| pop_back | 尾删 |
| find | 查找。（注意这个是算法模块实现，不是vector的成员接口） |
| insert | 在position之前插入val |
| erase | 删除position位置的数据 |
| swap | 交换两个vector的数据空间 |
| operator[] | 像数组一样访问 |
1.push_back和pop_back
void push_back(const value_type& val);
void pop_back();void test4()
{
vector v;
v.push_back(1);
v.push_back(2);
v.push_back(3);
v.push_back(4);
//迭代器打印
vector::iterator it = v.begin();
while (it != v.end())
{
cout << *it << " ";
++it;
}
cout << endl;
//1 2 3 4
v.pop_back();
v.pop_back();
it = v.begin();
while (it != v.end())
{
cout << *it << " ";
++it;
}
cout << endl;
//1 2
}
2.find、insert和erase
template
InputIterator find(InputIterator first, InputIterator last, const T& val);
iterator insert(iterator position, const value_type& val);
void insert(iterator position, size_type n, const value_type& val);
//在pos位置插入n个val
iterator erase(iterator position);
iterator erase(iterator first, iterator last);
void test5()
{
// 使用列表方式初始化，C++11新语法
vector v{ 1, 2, 3, 4 };
// 在指定位置前插入值为val的元素，比如：3之前插入30,如果没有则不插入
// 1. 先使用find查找3所在位置
// 注意：vector没有提供find方法，如果要查找只能使用STL提供的全局find
vector::iterator pos = find(v.begin(), v.end(), 3);
if (pos != v.end())
{
// 2. 在pos位置之前插入30
v.insert(pos, 30);
}
vector::iterator it = v.begin();
while (it != v.end())
{
cout << *it << " ";
++it;
}
cout << endl;
//1 2 30 3 4
pos = find(v.begin(), v.end(), 3);
// 删除pos位置的数据
v.erase(pos);
it = v.begin();
while (it != v.end()) {
cout << *it << " ";
++it;
}
cout << endl;
//1 2 30 4
} 3.swap和operator[]
void swap(vector& x);
reference operator[] (size_type n);
const_reference operator[] (size_type n) const;// operator[]+index 和 C++11中vector的新式for+auto的遍历
// vector使用这两种遍历方式是比较便捷的。
void test6()
{
vector v{ 1, 2, 3, 4 };
// 通过[]读写第0个位置。
v[0] = 10;
cout << v[0] << endl; //10
// 1. 使用for+[]小标方式遍历
for (size_t i = 0; i < v.size(); ++i)
cout << v[i] << " ";
cout << endl;
//10 2 3 4
vector swapv;
swapv.swap(v);
cout << "v data:";
for (size_t i = 0; i < v.size(); ++i)
cout << v[i] << " ";
cout << endl;
//v data :
// 2. 使用迭代器遍历
cout << "swapv data:";
auto it = swapv.begin();
while (it != swapv.end())
{
cout << *it << " ";
++it;
}
//swapv data : 10 2 3 4
// 3. 使用范围for遍历
for (auto x : v)
cout << x << " ";
cout << endl;
//
} 3.vector 迭代器失效问题
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，都有可能使迭代器失效，比如：resize、reserve、insert、assign、 push_back等。
#include
using namespace std;
#include
int main()
{
vector v{ 1,2,3,4,5,6 };
vector::iterator it = v.begin();
// 将有效元素个数增加到100个，多出的位置使用5填充，操作期间底层会扩容
// v.resize(100, 5);
// 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(5);
// 给vector重新赋值，可能会引起底层容量改变
v.assign(100, 5);
/*
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
#include
using namespace std;
#include
int main()
{
int a[] = { 1, 2, 3, 4 };
vector v(a, a + sizeof(a) / sizeof(int));
// 使用find查找3所在位置的iterator
vector::iterator pos = find(v.begin(), v.end(), 3);
// 删除pos位置的数据，导致pos迭代器失效。
v.erase(pos);
cout << *pos << endl; // 此处会导致非法访问
return 0;
}
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，理论上讲迭代 器不应该会失效，但是：如果pos刚好是最后一个元素，删完之后pos刚好是end的位置，而end位置是没有元素的，那么pos就失效了。因此删除vector中任意位置上元素时，vs就认为该位置迭代器失效了。
3.与vector类似，string在插入+扩容操作+erase之后，迭代器也会失效
#include
void test7()
{
string s("hello");
auto it = s.begin();
// 放开之后代码会崩溃，因为resize到20会string会进行扩容
// 扩容之后，it指向之前旧空间已经被释放了，该迭代器就失效了
// 后序打印时，再访问it指向的空间程序就会崩溃
//s.resize(20, '!');
while (it != s.end())
{
cout << *it;
++it;
}
cout << endl;
it = s.begin();
while (it != s.end())
{
it = s.erase(it);
// 按照下面方式写，运行时程序会崩溃，因为erase(it)之后
// it位置的迭代器就失效了
// s.erase(it);
++it;
}
}
迭代器失效解决办法：在使用前，对迭代器重新赋值即可。
二、vector模拟实现
1.默认成员函数
需要实现的接口：
#include
#include
#include
#include
using namespace std;
namespace sss//命名空间
{
template
class vector
{
public:
typedef T* iterator;
typedef const T* const_iterator;
//默认成员函数
vector(); //无参构造
vector(size_t n, const T& val); //构造函数
template
vector(InputIterator first, InputIterator last); //构造函数
vector(const vector& v); //拷贝构造函数
vector& operator=(const vector& v); //赋值运算符重载函数
~vector(); //析构函数
private:
iterator _start; //指向容器的头
iterator _finish; //指向有效数据的尾
iterator _endofstorage; //指向容器的尾
};
}
1.构造函数
无参构造：将三个成员变量的指针初始化为空指针即可。
有参数的构造也需要将成员变量初始化为空指针，如果不初始化，指针都是随机值，在调用后续的size，capacity时，会出问题。
vector()
: _start(nullptr)
, _finish(nullptr)
, _endOfStorage(nullptr)
{}
vector(size_t n, const T& value = T())
: _start(nullptr)
, _finish(nullptr)
, _endOfStorage(nullptr)
{
reserve(n);
while (n--)
{
push_back(value);
}
}
// 若使用iterator做迭代器，会导致初始化的迭代器区间[first,last)只能是vector的迭代器
// 重新声明迭代器，迭代器区间[first,last)可以是任意容器的迭代器
template
vector(InputIterator first, InputIterator last)
:_start(nullptr)
, _finish(nullptr)
, _endOfStorage(nullptr)
{
while (first != last)
{
push_back(*first);
++first;
}
} 理论上讲，提供了vector(size_t n, const T& value = T())之后，vector(int n, const T& value = T())就不需要提供了。
但是对于：vector
因为编译器觉得区间构造两个参数类型一致，因此编译器就会将InputIterator实例化为int。但是10和5根本不是一个区间，编译时就报错了，所以需要增加该构造方法。
vector(int n, const T& value = T())
:_start(nullptr),
_finish(nullptr),
_endOfStorage(nullptr)
{
reserve(n);
while (n--)
{
push_back(value);
}
}2.拷贝构造函数
开辟一块大小与参数相同的空间，将数据拷贝过来即可。
vector(const vector& v)
:_start(nullptr)
, _finish(nullptr)
, _endOfStorage(nullptr)
{
reserve(v.capacity());
for (size_t i = 0; i < v.size(); ++i)
{
_start[i] = v._start[i];
}
_finish = _start + v.size();
} 3.赋值运算符重载
该函数的参数v是一份调用拷贝构造函数临时拷贝，在本函数中我们不再构造一个vector后拷贝，而是调用swap函数（下文实现）交换*this和v的三个成员变量指针指向的位置即可。
vector& operator=(vector v)
{
swap(v);
return *this;
} 4.析构函数
析构前需要先判断对象是否为空。
~vector()
{
if (_start)
{
delete[] _start;
_start = _finish = _endOfStorage = nullptr;
}
}2.迭代器相关函数
typedef T* iterator;
typedef const T* const_iterator;
iterator begin()
{
return _start;
}
iterator end()
{
return _finish;
}
const_iterator begin() const
{
return _start;
}
const_iterator end() const
{
return _finish;
}3.容量相关函数
1.size、capacity、empty函数
size_t size() const
{
return _finish - _start;
}
size_t capacity() const
{
return _endOfStorage - _start;
}
bool empty() const
{
return _start == _finish;
}2.reserve函数及memcpy浅拷贝问题
void reserve(size_t n)
{
if (n > capacity())
{
size_t oldSize = size();
// 1. 开辟新空间
T* tmp = new T[n];
// 2. 拷贝元素
// 这里直接使用memcpy会有问题吗？
//if (_start)
// memcpy(tmp, _start, sizeof(T)*size);
if (_start)
{
for (size_t i = 0; i < oldSize; ++i)
tmp[i] = _start[i];
// 3. 释放旧空间
delete[] _start;
}
_start = tmp;
_finish = _start + oldSize;
_endOfStorage = _start + n;
}
}1.memcpy是内存的二进制格式拷贝，将一段内存空间中内容原封不动的拷贝到另外一段内存空间中。
2.如果拷贝的是自定义类型的元素，memcpy既高效又不会出错，但如果拷贝的是自定义类型元素，并且 自定义类型元素中涉及到资源管理时，就会出错，因为memcpy的拷贝实际是浅拷贝。
因此，如果对象中涉及到资源管理时，不能使用memcpy进行对象之间的拷贝，否则可能会引起内存泄漏甚至程序崩溃。
3.resize函数
void resize(size_t n, const T& value = T())
{
// 1.如果n小于当前的size，则数据个数缩小到n
if (n <= size())
{
_finish = _start + n;
return;
}
// 2.空间不够则增容
if (n > capacity())
reserve(n);
// 3.将size扩大到n
iterator it = _finish;
_finish = _start + n;
while (it != _finish)
{
*it = value;
++it;
}
}4.元素访问相关函数
访问时需要注意pos是否合法。
T& operator[](size_t pos)
{
assert(pos < size());
return _start[pos];
}
const T& operator[](size_t pos)const
{
assert(pos < size());
return _start[pos];
}
//返回第一个元素
T& front()
{
return *_start;
}
const T& front()const
{
return *_start;
}
//返回最后一个元素
T& back()
{
return *(_finish - 1);
}
const T& back()const
{
return *(_finish - 1);
}5.vector的修改操作
1.insert函数
iterator insert(iterator pos, const T& x)
{
assert(pos <= _finish);
// 空间不够先进行增容
if (_finish == _endOfStorage)
{
//size_t size = size();
size_t newCapacity = (0 == capacity()) ? 1 : capacity() * 2;
reserve(newCapacity);
// 如果发生了增容，需要重置pos
pos = _start + size();
}
//插入位置后的元素从后向前依次后移
iterator end = _finish - 1;
while (end >= pos)
{
*(end + 1) = *end;
--end;
}
*pos = x;
++_finish;
return pos;
}
2.erase函数
// 返回删除数据的下一个数据
// 解决:一边遍历一边删除的迭代器失效问题
iterator erase(iterator pos)
{
// 挪动数据进行删除
iterator begin = pos + 1;
while (begin != _finish) {
*(begin - 1) = *begin;
++begin;
}
--_finish;
return pos;
}3.push_back和pop_back函数
尾插和尾删对insert和erase进行复用即可。
void push_back(const T& x)
{
insert(end(), x);
}
void pop_back()
{
erase(end() - 1);
}4.swap函数
依次交换成员变量指针指向内容即可。
void swap(vector& v)
{
std::swap(_start, v._start);
std::swap(_finish, v._finish);
std::swap(_endOfStorage, v._endOfStorage);
} 三、完整代码
#include
#include
#include
#include
using namespace std;
namespace sss//命名空间
{
template
class vector
{
public:
vector()
: _start(nullptr)
, _finish(nullptr)
, _endOfStorage(nullptr)
{}
vector(size_t n, const T& value = T())
: _start(nullptr)
, _finish(nullptr)
, _endOfStorage(nullptr)
{
reserve(n);
while (n--)
{
push_back(value);
}
}
vector(int n, const T& value = T())
:_start(nullptr),
_finish(nullptr),
_endOfStorage(nullptr)
{
reserve(n);
while (n--)
{
push_back(value);
}
}
template
vector(InputIterator first, InputIterator last)
:_start(nullptr)
, _finish(nullptr)
, _endOfStorage(nullptr)
{
while (first != last)
{
push_back(*first);
++first;
}
}
vector(const vector& v)
:_start(nullptr)
, _finish(nullptr)
, _endOfStorage(nullptr)
{
reserve(v.capacity());
for (size_t i = 0; i < v.size(); ++i)
{
_start[i] = v._start[i];
}
_finish = _start + v.size();
}
vector& operator=(vector v)
{
swap(v);
return *this;
}
~vector()
{
if (_start)
{
delete[] _start;
_start = _finish = _endOfStorage = nullptr;
}
}
typedef T* iterator;
typedef const T* const_iterator;
iterator begin()
{
return _start;
}
iterator end()
{
return _finish;
}
const_iterator begin() const
{
return _start;
}
const_iterator end() const
{
return _finish;
}
size_t size() const
{
return _finish - _start;
}
size_t capacity() const
{
return _endOfStorage - _start;
}
bool empty() const
{
return _start == _finish;
}
void reserve(size_t n)
{
if (n > capacity())
{
size_t oldSize = size();
// 1. 开辟新空间
T* tmp = new T[n];
if (_start)
{
for (size_t i = 0; i < oldSize; ++i)
tmp[i] = _start[i];
// 3. 释放旧空间
delete[] _start;
}
_start = tmp;
_finish = _start + oldSize;
_endOfStorage = _start + n;
}
}
void resize(size_t n, const T& value = T())
{
if (n <= size())
{
_finish = _start + n;
return;
}
if (n > capacity())
reserve(n);
iterator it = _finish;
_finish = _start + n;
while (it != _finish)
{
*it = value;
++it;
}
}
T& operator[](size_t pos)
{
assert(pos < size());
return _start[pos];
}
const T& operator[](size_t pos)const
{
assert(pos < size());
return _start[pos];
}
T& front()
{
return *_start;
}
const T& front()const
{
return *_start;
}
T& back()
{
return *(_finish - 1);
}
const T& back()const
{
return *(_finish - 1);
}
iterator insert(iterator pos, const T& x)
{
assert(pos <= _finish);
// 空间不够先进行增容
if (_finish == _endOfStorage)
{
//size_t size = size();
size_t newCapacity = (0 == capacity()) ? 1 : capacity() * 2;
reserve(newCapacity);
// 如果发生了增容，需要重置pos
pos = _start + size();
}
//插入位置后的元素从后向前依次后移
iterator end = _finish - 1;
while (end >= pos)
{
*(end + 1) = *end;
--end;
}
*pos = x;
++_finish;
return pos;
}
iterator erase(iterator pos)
{
// 挪动数据进行删除
iterator begin = pos + 1;
while (begin != _finish) {
*(begin - 1) = *begin;
++begin;
}
--_finish;
return pos;
}
void push_back(const T& x)
{
insert(end(), x);
}
void pop_back()
{
erase(end() - 1);
}
void swap(vector& v)
{
std::swap(_start, v._start);
std::swap(_finish, v._finish);
std::swap(_endOfStorage, v._endOfStorage);
}
private:
iterator _start; //指向容器的头
iterator _finish; //指向有效数据的尾
iterator _endofstorage; //指向容器的尾
};
}