【C++】vector的模拟实现 | 使用memcpy拷贝时的问题 | 实现深拷贝
目录
基本框架及接口
构造函数
无参构造
迭代器区间构造
初始化构造
析构函数
size() | capacity()
扩容的reserve()
使用memcpy拷贝的问题
改变大小的resize()
operator[]
迭代器的实现
vector的增删
尾插push_back()
尾删pop_back()
在指定位置插入insert()
在指定位置删除erase()
深拷贝的实现
拷贝构造函数
赋值operator=
上一篇我们说到了vector，它是一个类模板，能够容纳各种类型的对象作为其元素，并且可以动态地调整大小。可以理解为动态数组。
这篇我们就亲自实现一下 简易版的vector，这能大大加深我们对vector的理解！
而因为vector的实现和string有很多相似之处，所以实现过程中的一些细节便不再详述。
基本框架及接口
vector.h：
#pragma once
namespace jzy //为了和STL库里的vector区分，我们就把它放进自定的命名空间里
{
template
class vector
{
public:
typedef T* iterator;
private:
iterator _start;
iterator _finish; //finish表示最后一个位置的后一个位置
iterator _end_of_storage;
};
} 这里的三个成员变量，是参照了《STL源码剖析》，按照STL 3.0版本实现的。
这样的话，想要知道 _size或者 _capacity，就用成员变量相减的方式。
构造函数
无参构造
vector()
:_start(nullptr)
,_finish(nullptr)
, _end_of_storage(nullptr)
{}迭代器区间构造
通过传迭代器的起、始区间（左闭右开）来构造。
vector(InputIterator first, InputIterator last)
{
InputIterator it = first;
int num = 0; //统计个数
while (it != last)
{
it++;
num++;
}
_start = new T[num];
for (int i = 0; i < num; i++)
{
_start[i] = *first++;
}
_finish = _start + num;
_end_of_storage = _start + num;
}初始化构造
构造的同时能将对象初始化，使之含n个val值。
vector(int n, const T& val = T()) //注意：这里不能给size_t！
{
_start = new T[n];
for (int i = 0; i < n; i++)
{
_start[i] = val;
}
_finish = _start + n;
_end_of_storage = _start + n;
}为什么n的类型不能是size_t？
如果是size_t，当传的两个参数都是int类型时，测试出的结果为：
void test7()
{
vector v1(5,1);
for (auto& e : v1)
{
cout << e << " ";
}
} 
原因：
我们知道，v1在匹配构造函数时，是根据参数的类型来匹配的。
size_t与int并不能很好地匹配，而InputIerator却可以匹配上int类型，因为InputIerator本身就是个模板，int无需转化就能匹配上。
所以v1调用的构造函数是 vector(InputIterator first, InputIterator last); ,
在这个函数里，要对int进行解引用，所以报错：非法的间接寻址。
析构函数
~vector()
{
delete[] _start;
_start = _finish = _end_of_storage = nullptr;
}size() | capacity()
目前的三个成员变量不能直观地表示出 容量和大小，因此，我们需要亲自实现出来。
size_t size()
{
return _finish - _start;
}
size_t capacity()
{
return _end_of_storage - _start;
}扩容的reserve()
扩容的思路是：
先开新空间，再把数据都拷到新空间里去，然后释放旧空间，让指针指向新空间。
未经修正版的reserve：
void reserve(size_t n)
{
if (n > capacity())
{
size_t sz = size();
T* tmp = new T[n];
int a = size();
if (_start)
{
memcpy(tmp, _start, sz* sizeof(T));
delete[] _start;
}
_start = tmp;
_finish = _start + sz;
_end_of_storage = _start + n;
}
}来测试下：
void test10()
{
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;
} 
看起来搞定了。但真的OK吗？
如果我们用自定义类型，如vector
void test9()
{
vector v;
v.push_back("happy");
v.push_back("happy");
v.push_back("happy");
v.push_back("happy");
v.push_back("happy");
for (auto& e : v)
{
cout << e << " ";
}
cout << endl;
} 
程序居然崩溃了！
其实，这都是memcpy惹的祸。
使用memcpy拷贝的问题
⭐memcpy只能进行浅拷贝，所以，如果是拷内置类型，那很乐于用memcpy。
如果是自定义类型 且 涉及资源管理的，就不能用memcpy了，不然可能会引起内存泄漏甚至程序崩溃。
现在来解释vector
在调用push_back时，空间不够的话，push_back内部会调用reserve开空间，问题就出在这个reserve。来看看reserve是咋实现的：
void reserve(size_t n)
{
if (n > capacity())
{
size_t sz = size();
T* tmp = new T[n];
int a = size();
if (_start)
{
memcpy(tmp, _start, sz* sizeof(T)); //拷数据时用memcpy
delete[] _start;
}
_start = tmp;
_finish = _start + sz;
_end_of_storage = _start + n;
}
}可以看到，reserve是调memcpy拷数据的，拷完就释放了_start。
虽然vector
tmp 的内容是由memcpy值拷贝来的，和_start指向同一块空间。
当_start被delete，那tmp的空间同样也被释放了。
所以说，如果对象中涉及到资源管理时，千万不能使用memcpy进行对象之间的拷贝，还是得自己老老实实地拷贝。
➡️修改后的reserve：
void reserve(size_t n)
{
if (n > capacity())
{
//开空间
T* tmp = new T[n];
//拷数据
iterator begin = _start;
int i = 0;
while (begin != _finish)
{
tmp[i++] = *begin++;
}
//释放、赋值
delete[] _start;
_start = tmp;
_finish = tmp + i;
_end_of_storage = tmp + n;
}
}此时再测试：
改变大小的resize()
void resize(size_t n , T val = T())
{
if (n < size())
{
_finish = _end_of_storage = _start + n;
}
else
{
reserve(n);
for (int i = size(); i < n; i++)
{
_start[i] = val;
}
_finish = _start + n;
}
}operator[]
T& operator[] (size_t pos)
{
assert(pos < size());
return *(_start + pos);
}迭代器的实现
普通迭代器的begin() | end()：
typedef T* iterator;
iterator begin()
{
return _start;
}
iterator end()
{
return _finish;
}const迭代器的begin() | end()：
被const修饰以后，只能读，不能写。
typedef const T* const_iterator;
const_iterator begin() const
{
return _start;
}
const_iterator end() const
{
return _finish;
}关于范围for：
只要实现了迭代器，那范围for不用特意去实现，就已经能用了：
void test1()
{
vector v;
v.push_back(1);
v.push_back(2);
v.push_back(3);
v.push_back(4);
for (auto e : v) //用范围for遍历
{
cout << e << " ";
}
cout << endl;
} 实际上范围for的底层原理 就是迭代器。它依靠begin()、end()来实现，且只认识begin()和end()。
假如我把begin()的名称改成Begin()，那迭代器照样能用，而范围for就用不了了：它不认识Begin()。。。
vector的增删
尾插push_back()
void push_back(const T& val)
{
//先考虑容量够不够
if (size() == capacity())
{
reserve(capacity() == 0 ? 4 : 2 * capacity());
}
*_finish = val;
_finish++;
}这里要注意：形参得被const修饰，并且传引用过去。
传引用的话更省力，不然深拷贝代价大；有了const，形参才能接收常量字符串。
尾删pop_back()
void pop_back()
{
assert(_start<_finish);
_finish--;
}借insert和erase谈迭代器失效的问题
insert()
void insert(iterator pos, const T& val)
{
assert(pos >= _start);
assert(pos <= _finish);
//先考虑空间够不够
if (_finish == _end_of_storage)
{
reserve(capacity() == 0 ? 4 : 2 * capacity());
}
//挪动数据
iterator end = _finish - 1;
while (end >= pos)
{
*(end + 1) = *end;
end--;
}
//插入
*pos = val;
_finish++;
}这样写其实还不够，一旦涉及扩容就会出现问题。我们来测试一下：
void test2()
{
vector v;
v.push_back(1);
v.push_back(2);
v.push_back(3);
v.pop_back();
v.insert(v.begin(), 10);
v.insert(v.begin(), 11);
v.insert(v.begin(), 12);
for (auto e : v)
{
cout << e << " ";
}
cout << endl;
} 
出现了随机值！
究其原因，其实是reserve扩容 那步出了疏漏，使迭代器pos失效了。
这就是迭代器失效问题。
也就是说，在扩容后，迭代器pos需要被更新一下：让原本指向旧空间的pos，现在指向新空间的同样位置。
修改后：
void insert(iterator pos, const T& val)
{
int flag_pos = pos - _start; //先记录下pos的相对位置，以便之后更新pos
assert(pos >= _start);
assert(pos <= _finish);
//考虑空间够不够
if (_finish == _end_of_storage)
{
reserve(capacity() == 0 ? 4 : 2 * capacity());
pos = _start + flag_pos; //根据刚刚记录的位置，更新pos
}
//挪动数据
iterator end = _finish - 1;
while (end >= pos)
{
*(end + 1) = *end;
end--;
}
//插入
*pos = val;
_finish++;
}现在可以成功插入了：
拓展思考：若将v.begin()传给pos时，采用引用传参，可行吗？
void insert(iterator& pos, const T& val);不可行。这个问题很考验我们在类和对象那块的基础知识。
我们来看看begin()：
iterator begin() { return _start; }它采用传值返回，返回的不是_start，而是它的拷贝出来的临时对象。
临时对象是具有常性的，所以pos没法作它的别名，我们只能拷贝一份它，存进pos里。
erase()
void erase(iterator pos)
{
assert(pos >= _start && pos < _finish ); //这里注意：不能<=_finish！因为它指向的是最后一个元素的后一个位置
iterator begin = pos + 1;
while (begin < _finish)
{
*(begin - 1) = *begin;
begin++;
}
_finish--;
}但是！看似平静无澜的erase()，其实暗含隐患：erase也会有迭代器失效的问题。
现在我们用一个例子来展示出它的问题：现要求删除所有的偶数。
v分两组，分别是A：{1,2,3,4,5}; B：{1,2,3,4}。
A：
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())
{
if (*it % 2 == 0)
{
v.erase(it);
}
it++;
}
for (auto e : v)
{
cout << e << " ";
}
cout << endl;
} 
删除成功了。但如果v中是1 2 3 4，就不行。
B：
void test3()
{
vector v;
v.push_back(1);
v.push_back(2);
v.push_back(3);
v.push_back(4);
……
} 程序崩溃了：
这是因为迭代器失效了，我们用图来说明原因：
而{1,2,3,4,5}仅仅是碰巧，被删的偶数后面正好跟着奇数，所以没有暴露错误。
那对于erase中迭代器失效的情况，写C++的大佬是怎么处理的呢？
处理的思路是：将返回值由void 改为iterator，返回删除后pos的位置。这样的话，删完后迭代器还是指向pos，就不会错过pos位置的比较。
修改后的erase：
iterator erase(iterator pos)
{
assert(pos >= _start && pos < _finish ); //这里注意：不能<=_finish！因为它指向的是最后一个元素的后一个位置
iterator begin = pos + 1;
while (begin < _finish)
{
*(begin - 1) = *begin;
begin++;
}
_finish--;
return pos;
}测试：
void test3()
{
vector v;
v.push_back(1);
v.push_back(2);
v.push_back(3);
v.push_back(4);
//要求删除所有的偶数
vector::iterator it = v.begin();
while (it != v.end())
{
if (*it % 2 == 0) //用if else语句，删完以后迭代器仍停在pos位置，而不会自增
{
it = v.erase(it);
}
else
{
it++;
}
}
for (auto e : v)
{
cout << e << " ";
}
cout << endl;
} 
深拷贝的实现
拷贝构造函数
如果我们用默认的拷贝构造函数，进行vector的浅拷贝的话：
void test4()
{
vector v1;
vector v2(v1);
} 
这是因为，浅拷贝仅能复制值，而不能复制一份同样的空间。
这样v1、v2就指向了同一块空间，析构v1、v2时，同一块空间被析构了两次，所以程序崩溃了。
所以，我们要手动实现vector的拷贝构造，实现深拷贝。
➡️Way1 传统写法：老老实实地开空间、拷数据。
vector(vector& v)
:_start(new T[v.capacity()])
, _finish(_start + v.size())
, _end_of_storage(_start + v.capacity())
{
memcpy(_start, v._start, sizeof(T) * v.size());
} ➡️Way2 现代写法：本质是复用现成的代码，“构造新对象+将自己和新对象进行swap”。
vector(const vector& v)
:_start(nullptr)
, _finish(nullptr)
, _end_of_storage(nullptr)
{
vector tmp(v.begin(), v.end());
swap(_start, tmp._start);
swap(_finish, tmp._finish);
swap(_end_of_storage, tmp._end_of_storage);
} 赋值operator=
vector& operator=(vector v) //因为是传值传参，v就已经是实参的拷贝了，所以不需要再构造tmp
{
swap(_start, v._start);
swap(_finish, v._finish);
swap(_end_of_storage, v._end_of_storage);
return *this;
}