C++ [STL之vector模拟实现]
本文已收录至《C++语言和高级数据结构》专栏！
作者：ARMCSKGT
STL之vector模拟实现
- 前言
- 正文
- 空间结构
- 默认成员函数
- 构造函数
- 拷贝构造函数
- 赋值重载
- 析构函数
- 关于数据拷贝问题
- 迭代器
- 容量操作
- 查询容量
- 容量操作
- 数据访问
- 下标访问
- 头尾数据访问
- 数据增删
- 尾插尾删
- 重新分配
- 任意位置插入删除
- 迭代器失效问题概述
- 其他操作
- 清空函数
- 交换函数
- 关于排序
- 最后
前言
vector是STL容器容器之一，其底层实现类似于数据结构顺序表，相当于string来说得益于泛型模板的加持使得vector可以变为任何类型，且是可以动态扩容，堪称大号数组！在vector的实现中，有许多值得我们学习的细节，接下来将为大家一一介绍！
正文
本文将实现一些有学习意义的常规简单接口，提高我们的代码能力！
空间结构
与C语言实现顺序表不同，vector底层空间结构为三个指针:
- _start：指向空间的起始地址
- _finish：指向最后一个数据的下一个地址(下一个空位)
- _end_of_stroage：指向空间最后一个最末地址
namespace My_vector {template<class T> //模板参数Tclass vector{typedef T* iterator; //指针重命名为迭代器typedef const T* const_iterator;private:iterator _start; //首地址iterator _finish; //空位地址iterator _end_of_storage; //空间末地址} }这里需要注意的是，由于vector使用了模板，所以函数实现都在头文件中，防止因为模板导致的链接错误的问题！
默认成员函数
无一例外，常用的默认成员函数有四个：
- 构造函数
- 拷贝构造函数
- 赋值重载函数
- 析构函数
这里的默认成员函数都需要自己设计，因为涉及深拷贝和一些其他细节问题！
构造函数
构造函数有三个版本，分别是：默认构造函数，带参构造函数和迭代器区间构造
- 默认构造函数：初始化三个指针置空即可
- 带参构造函数：初始化n个T类型的value值在对象中
- 迭代器区间构造：通过其他容器迭代器或指针迭代插入其所有值
//迭代器区间构造 vector():_start(nullptr), _finish(nullptr), _end_of_storage(nullptr) {}//带参构造函数 //vector(size_t n, const T& value = T()) //初始化n个t类型数据 // :_start(nullptr) // , _finish(nullptr) // , _end_of_storage(nullptr) //{// reserve(n); // for (int i = 0; i < n; ++i) // {// *(_finish++) = value; // } //}//带参构造函数 int修复版本 vector(int n, const T& value = T()) //初始化n个t类型数据:_start(nullptr), _finish(nullptr), _end_of_storage(nullptr) {if (n > 0) //n必须大于0才能处理{reserve(n); //提前开辟空间for (int i = 0; i < n; ++i) //逐一插入{*(_finish++) = value;}} }//迭代器区间构造 template<class InputIterator> vector(InputIterator first, InputIterator last):_start(nullptr), _finish(nullptr), _end_of_storage(nullptr) {auto it = first;int n = 0;while (it != last) { ++n; ++it; } //计算数据长度reserve(n); //提前开辟空间while (first != last) //迭代器插入数据{push_back(*first);++first;} }这里需要注意几个问题：
我们首先实现了带参构造函数的n为size_t类型的版本，因为不可能插入负数个T类型的value数据，但是如果我们使用带参构造函数实例化，则会发生非法间接寻址的错误！这是因为size_t是整型，实例化T数据类型也是整型，此时编译器会自动匹配最合适的构造函数，于是匹配到了迭代器区间构造！
vector(size_t n, const T& value = T()) //int类型n vector<int> v(2,1);时会冲突 vector(int n, const T& value = T()) //size_t类型n解决方法就是写一个n为int类型的带参构造参数去匹配，而且可以不用size_t版本！
此外，这里多处使用了匿名对象初始化缺省参数，这里T()就是一个匿名对象，用于初始化value。当我们只输入n参数时，匿名对象会作为缺省值传递给value，这里需要注意：
- 匿名对象的生命周期只在这一行，但是被const修饰后会延长生命周期
- 内置类型也支持像构造对象一样初始化
//例如 int a(1) int b(); //默认初始化为0 char c('c');//所以可以这样赋值 double d = double(1.23); float f = float()
拷贝构造函数
拷贝构造最大的问题就是涉及深拷贝问题，我们希望当一个vector对象拷贝另一个对象时新对象开辟独立的空间拷贝数据，而不是两个对象共用一段空间，否则在析构时会出现异常现象！
//传统写法 vector(const vector<T>& v):_start(nullptr), _finish(nullptr), _end_of_storage(nullptr) {reserve(v.capacity()); 提前开辟空间for(int i = 0;i<v.size();++i){*(_finish++) = v._start[i]; //访问v中的数据并赋值} }//现代写法 - 在实现swap后可以构造临时对象然后交换资源 //vector(const vector<T>& v) // :_start(nullptr) // , _finish(nullptr) // , _end_of_storage(nullptr) //{// vector<T> tmp(v.begin(), v.end()); //迭代器区间构造局部对象 // swap(tmp); //swap交换数据 //}默认生成的构造函数是浅拷贝，所以我们自己实现，在插入数据时预先开辟空间，然后逐一赋值，这样就能避免浅拷贝问题，因为如果是自定义对象在赋值时会调用其自己的拷贝构造！
现代写法需要先实现swap函数，然后构造临时对象交换对应的指针即可！
赋值重载
赋值重载与拷贝构造的问题类似，也要注意深拷贝问题；区别于拷贝构造的地方在于不需要新建对象，但是需要判断是否为同一个对象避免重复开空间，clear先清空已有数据，reserve开v对象空间大小的容量，如果v对象空间小于现有空间则不开，此时_finish无论是否开空间都在空间的起始位置(也就是容器为空)，直接使用_finish赋值即可！
当然，赋值重载也有基于swap的现代写法；现代写法无论是否是同一个对象都会重新开空间拷贝，两者各有优劣！
//传统写法 vector<T>& operator=(const vector<T>& v) {if (&v != this) //判断是否为同一个对象{clear(); //先清空原空间 方便下面继续使用reserve(v.capacity()); //开v对象大的空间，如果比v对象大则不开for (int i = 0; i < v.size(); ++i){*(_finish++) = v._start[i]; //无论是否开了空间_finish指针重新开始赋值}}return *this; }//现代写法 //vector<T>& operator=(vector<T> tmp) //使用传值参数临时对象 //{// swap(tmp);// return *this; //}
析构函数
析构函数就非常简单了，释放_start指向的空间，置空三个指针即可！
但是在此之前要判断一下_start是否有空间，如果是空指针则不需要释放！~vector() {if (_start) //判断是否为空指针{delete[] _start;_start = _finish = _end_of_storage = nullptr;} }
关于数据拷贝问题
拷贝构造和赋值重载自己实现的意义
浅拷贝也称值拷贝，只是拷贝这个值而已；但我们需要的是独立开辟空间然后将数据拷贝一份下来，两者完全独立！
对于浅拷贝带来的问题：
两个对象指向同一片空间，最后delete两次这片空间，最终导致报错！所以在涉及空间操作和扩容操作的情况下，必须注意自定义对象深拷贝问题，对于自定义类型，只需要其自己调用对应的拷贝构造，而不是我们自己擅自操作空间！
数据拷贝使用赋值的意义
因为vector是模板，在string实现中我们对于字符串数据是通过strcpy拷贝的，那么vector数据的拷贝能不能用内存拷贝函数memcpy或memmove呢？答案是肯定不能！vector实例化为内置类型使用内存拷贝函数没有问题，但是实例化为自定义类型就会出现内存问题，因为内存拷贝函数在拷贝数据时是从内存中逐字节拷贝，我们实际需要的是内置类型直接拷贝，而自定义类型去调用其对应的拷贝构造，但是使用了mem等内存函数自定义类型就无法调用拷贝构造，最终导致也出现内存错误！
因为这个问题，在vector拷贝构造和reserve扩容等涉及数据拷贝的函数中，我们使用的不是内存拷贝函数，而是直接赋值！
迭代器
vector存储数据使用的是一段连续的存储空间，所以迭代器只需要将指针typedef即可，对指针 ++和- - 就能遍历数据！
typedef T* iterator; typedef const T* const_iterator; //迭代器部分 iterator begin() { return _start; } //自适应普通迭代器 iterator end() { return _finish; }const_iterator begin() const { return _start; } const_iterator end() const { return _finish; }const_iterator cbegin() const { return begin(); } //const迭代器 const_iterator cend() const { return end(); }这里我们提供了普通迭代器和const迭代器，对于const迭代器，有许多人吐槽cbegin和cend没必要设计，因为begin和end普通迭代器可以设计为自适应模式！
对于下面的函数：
void func(const vector<int>& v) {auto vit = v.begin(); }如果begin没有重载const_iterator类型的迭代器，则会报错，但是重载后，编译器会识别这个对象是const引用类型就会调用begin的const_iterator版本！
这里begin和end迭代器就非常智能，实现了自适应，很多人觉得cbegin和cend设计就冗余了！
其实库里面也是为了保持一致，尽量让所有的容器都有这些接口，降低学习成本！
所以我们模拟实现还是实现了cbegin和cend，只不过复用了普通迭代器的const版本！至于库中还存在反向迭代器，这个我们后面会就行介绍(其实是对普通迭代器的封装，对反向迭代器的++就是对普通迭代器的- -)！
容量操作
查询容量
对于查询容量常用的就三个函数：
- size()：查询有效元素个数
- capacity()：查询当前容量大小
- empty()：查询当前容器是否为空(没有数据)
//元素个数 size_t size() const { return _finish - _start; } //容量大小 size_t capacity() const { return _end_of_storage - _start; } //判空 bool empty() const { return _start == _finish; }这三个函数都比较简单，直接实现即可！
唯一需要注意的两点是，首先这些函数只是查询函数不涉及修改，可以使用const修饰this指针，其次因为对空间的管理使用的是三个指针，所以使用_finish(有效数据指针)减去_start(空间首地址)就能得出有效数据个数，容量也是如此！
容量操作
扩容操作
对于reserve函数，前面我们介绍了关于数据拷贝的问题，reserve最重要的点就是不能使用内存函数拷贝数据，而是使用赋值调用拷贝构造就行数据拷贝！对于reserve函数的首先，有以下几点情况：
- 对于申请的空间大小n进行判断，小于当前空间大小就不进行任何操作
- 开辟n大小的空间，使用tmp临时变量存储地址，方便准备数据拷贝
- 判断当前空间是否存有数据以及是否为空指针，进行数据迁移
- 在数据迁移时一定要用赋值而不是内存拷贝(否则释放旧空间时，vector实例的自定义类型会调用对于的析构，而我们拷贝的是旧空间中的旧对象，而不是拷贝构造的新对象，在旧空间释放后，新空间中的自定义对象也会释放，则存储的都是无效数据)
- 最后交付数据，初始化三个指针
void reserve(size_t n) {if (n > capacity()){size_t len = size(); //获取当前原空间下数据个数T* tmp = new T[n]; //开辟n个空间(n>size())if (begin() && (len > 0)) {for (int i = 0; i < size(); ++i) //有数据则拷贝{tmp[i] = _start[i];}delete[] _start; //拷贝完成后释放原空间}_start = tmp; //交付空间_finish = _start + len;_end_of_storage = _start + n;} }数据大小调整
对于resize函数，最大的区别在于新的数据空间的初始化！对于resize：
- 先判断n是否大于容量，准备扩容
- 将新的数据位置为val(val有缺省参数，为T())
- 最后初始化_finish指针
void resize(size_t n, T val = T()) //数据长度设置为n，新的数据位置为val {if (n > capacity()) //如果n大于容量就先扩容{reserve(n);}iterator it = _start + n; //初始化新空间while (_finish < it){*_finish = val; //逐一置为val++_finish;}_finish = it; //最后初始化_finish }
数据访问
下标访问
下标访问通过重载运算符[ ]首先的，这里我们首先了两个版本的[ ]重载函数，在对应不同的场景！
T& operator[](size_t pos) //引用版本 {assert(pos < size() && pos >= 0); //检查下标合法性return _start[pos]; }const T& operator[](size_t pos) const //const引用版本 {assert(pos < size() && pos >= 0); //检查下标合法性return _start[pos]; }对于at函数，由于其抛异常的特性，这里我们简单实现，复用运算符[ ]，对于异常问题，以后会为大家进行介绍！
T& at(size_t pos) { return (*this)[pos]; } const T& at(size_t pos) const { return (*this)[pos]; }
头尾数据访问
同样的，front和back函数也有普通版本和const版本，在不同场景下编译器会选择合适的函数进行调用！
//front 首个数据 T& front() { return (*this)[0]; } const T& front() const { return (*this)[0]; } //back //末尾数据 T& back() { return (*this)[size()-1]; } const T& back() const { return (*this)[size() - 1]; }这里复用运算符[ ]，复用下标和容量的检查！
数据增删
尾插尾删
- 对于尾插：在插入前需要检查容量是否充足，不充足需要扩容，然后直接插入_finish的空位下即可，_finish指针移动到下一个空位
- 对于尾删：只需要将_finish指针向前移动即可(- -指针)，但需要判断size是否>0
//尾插 void push_back(const T& val) {if (_finish == _end_of_storage){//扩容时采用两倍策略，如果为空则赋予四个空间的初值reserve(capacity() == 0 ? 4 : capacity() * 2); }*_finish = val; //赋予_finish指向的空位++_finish; //_finish指针后移 }//尾删 void pop_back() {assert(size() > 0); //判断是否有数据可删--_finish; //_finish指针前移 }
重新分配
vector通过了重新分配函数assign，这个函数类似于赋值重载，会清空里面原有的所有数据，然后重新赋值，如果空间不足则会扩容！
这个函数有两个版本：
- 迭代器区间分配
- 分配n个val值到容器中
//迭代器区间分配 template<class InputIterator> void assign(InputIterator first, InputIterator last) {size_t n = 0;auto it = first;while (it != last) { ++n; ++it; }if (n > capacity()){reserve(n); //扩容}clear(); //默认清空数据while (first != last){(*(_finish++)) = (*(first++)); //赋值完成后_finish会指向下一个空位} }//分配n个val值 void assign(int n, const T& val) {reserve(n); //默认扩容，如果空间足够就不会执行任何操作clear(); //默认清空数据while (n--) { push_back(val); } //插入n个数据 }这里要注意的，首先是容量问题，其次是分配数据需要清空原有的数据！
任意位置插入删除
任意位置插入和删除是我们常用的函数，但是这里最大的问题就是迭代器失效的问题！
当我们使用现在的迭代器插入一个数据，可能涉及容器扩容，如果扩容，那么迭代器是旧空间的迭代器，则会导致迭代器失效，因为原有空间已经被释放，但迭代器还是指向原空间(那么就是野指针)，所以我们在插入或删除后要更新迭代器，那么我们的插入删除函数必须在操作后返回一个迭代器！
- 对于插入来说，插入一个元素后返回这个新插入元素位置的迭代器
– 对于插入来说，如果涉及扩容，则将迭代器更新到新空间的对应数据位置- 对于删除来说，删除一个元素后返回其下一个元素的迭代器
– 对于删除来说，删除是后面的数据覆盖前面的数据，最终从pos位置开始所有数据会向前挪动一位，那么挪动完成后，当前pos位置就是下一个迭代器的位置，直接返回即可//在pos迭代器位置插入x iterator insert(iterator pos, const T& x) {assert(pos >= _start);assert(pos <= _finish);if (_finish == _end_of_storage) //判断容量问题{size_t len = pos - _start;reserve(capacity() == 0 ? 4 : capacity() * 2);//扩容后迭代器失效了，需要更新同步迭代器pos = _start + len;}iterator cur = _finish++;while (cur != pos){*cur = *(cur - 1);--cur;}*cur = x;return cur; }//删除pos迭代器位置的数据 iterator erase(iterator pos) {assert(pos >= _start);assert(pos <= _finish);iterator cur = pos;while (cur != _finish - 1){*cur = *(cur + 1); //挪动数据++cur;}--_finish;return pos; //挪动完成后pos位置的数据已经被下一个数据覆盖了，直接返回即可 }
迭代器失效问题概述
对于我们扩容后，迭代器失效的现象：
对于迭代器失效的现象，删除也可能出现此现象！对于迭代器失效问题，编译器也会检查：
- VS下(PJ)版本是一旦插入或删除必须更新迭代器，哪怕没有发生扩容，否则报错
- g++下(SGI)版本不会主动检查迭代器更新问题，但是如果发生扩容或删除完了元素没有更新迭代器就会发生段错误
其他操作
清空函数
对于vector元素的清空，我们只需要将_finish指针设置为_start即可，这样就代表当前vector中没有任何元素，同时清空不需要缩容！
//清空函数 void clear() { _finish = _start; }
交换函数
对于vector的交换，只需要交换两个vector对象的三个指针即可！
//交换函数 void swap(vector<T>& v) {std::swap(_start, v._start);std::swap(_finish, v._finish);std::swap(_end_of_storage, v._end_of_storage); }
关于排序
vector因为连续的空间，对排序是非常有利的；库函数中已经实现了快排，也就是sort函数，可以对支持迭代器的容器排序！
关于sort的使用，这里需要给大家介绍一下
sort有两个版本，都是通过迭代器区间进行排序，默认升序，第二个版本支持控制升序和降序！int arr[] = { 3,2,1,5,4 }; vector<int> v(arr,arr+5); sort(v.begin(), v.end());// 默认升序 for (const auto& x : v) {cout << x << " "; } cout << endl; sort(v.begin(), v.end(), greater<int>()); //排降序 for (const auto& x : v) {cout << x << " "; } cout << endl;
//控制函数Compare是一个仿函数 less<T>(); //T类型的升序比较仿函数 greater<T>(); //T类型的升降序比较仿函数这里需要注意的是，sort函数需要声明algorithm算法头文件并声明std命名空间，greater和less也需要在std命名空间中声明！
最后
vector模拟实现到这里就结束了，相信vector的模拟实现让大家对底层代码的细节问题又有了新的认识，这就是我们学习和使用这些容器代码的意义！
本次 <C++ vector模拟实现> 就先介绍到这里啦，希望能够尽可能帮助到大家。
如果文章中有瑕疵，还请各位大佬细心点评和留言，我将立即修补错误，谢谢！
本文整体代码：vector模拟实现代码
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