C++学习笔记(十四)——vector的模拟实现(一)

简介: C++学习笔记(十四)——vector的模拟实现

vector各函数接口总览


image.png

namespace cl
{
  //模拟实现vector
  template<class T>
  class vector
  {
  public:
    typedef T* iterator;
    typedef const T* const_iterator;
    //默认成员函数
    vector();                                           //构造函数
    vector(size_t n, const T& val);                     //构造函数
    template<class InputIterator>                      
    vector(InputIterator first, InputIterator last);    //构造函数
    vector(const vector<T>& v);                         //拷贝构造函数
    vector<T>& operator=(const vector<T>& v);           //赋值运算符重载函数
    ~vector();                                          //析构函数
    //迭代器相关函数
    iterator begin();
    iterator end();
    const_iterator begin()const;
    const_iterator end()const;
    //容量和大小相关函数
    size_t size()const;
    size_t capacity()const;
    void reserve(size_t n);
    void resize(size_t n, const T& val = T());
    bool empty()const;
    //修改容器内容相关函数
    void push_back(const T& x);
    void pop_back();
    void insert(iterator pos, const T& x);
    iterator erase(iterator pos);
    void swap(vector<T>& v);
    //访问容器相关函数
    T& operator[](size_t i);
    const T& operator[](size_t i)const;
  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
  };
}

注意:为了防止与标准库当中的vector产生命名冲突,模拟实现时需放在自己的命名空间中。

vector当中的成员变量介绍


在vector中三个成员变量_start,_finish,_endofstorage.

image.png

默认成员函数


构造函数1


vector支持无参构造函数,对于这个无参的构造函数,我们直接将构造对象的三个成员变量都设置为空指针。

vector()
   :_start(nullptr)
   ,_finish(nullptr)
   ,_endofstorage(nullptr)

构造函数2


vector是支持使用迭代器区间进行对像的构造的。因为该迭代器区间可以是其他容器的迭代器区间,也就是说该函数收到的迭代器的类型是不确定的,所以我们这里需要将该构造函数设计成一个函数模板,在该函数体内将该迭代器区间的数据一个个尾插到容器中。

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

构造函数3


此外,vector还支持构造这样一种容器,该容器当中含有n个值为val的数据。对于该构造函数,我们可以先使用reserve函数将容器容量先设置为n,然后使用push_back函数尾插n个值为val的数据到容器当中即可。

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

注意:

1)该构造函数知道其需要用于存储n个数据的空间,所以最好用reserve函数一次性开辟好空间,避免调用push_back函数时需要增容多次,导致效率降低。

2)该构造函数还需要实现两个重载函数。

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

可以看到,这两个重载函数与之不同的就是其参数n的类型不同,但这却是必要的,否则当我们使用以下代码时,编译器会优先构造函数2相匹配。

vector<int> v(5, 7); //调用构造函数3 ???

并且因为构造函数2当中对参数first和last进行了解引用(而int类型不能进行解引用操作)而报错。

拷贝构造函数


vector的构造函数涉及拷贝问题,这里提供两种深拷贝的方法:

法一:传统写法

先开辟一块与该容器大小相同的空间,然后将该容器当中的数据一个个拷贝过来即可,最后更新_finish和_endofstorage的值即可。

vector(const vector<T>& v)
   :_start(nullptr)
   ,_finish(nullptr)
   ,_endofstorage(nullptr)
{
  _start=new T[v.capacity()];
  for(size_t i=0;i<v.size();i++)
   {
     _start[i]=v[i];
   }
   _finish=_start+v.size();
   _endofstorage=_start+v.capacity();
 }

注意:将容器当中的数据一个个拷贝过来时不能使用memcpy函数,当vector存储的数据是内置类型或无需进行深拷贝的自定义类型时,使用memcpy函数是没什么问题的,但当vector存储的数据是需要进行深拷贝的自定义类型时,使用memcpy函数的弊端就体现出来了。例如,当vector存储的数据是string类的时候。

image.png

并且vector当中存储的每个string都指向自己所存储的字符串。

image.png

如果此时我们使用的是memcpy函数进行拷贝构造的话,那么拷贝构造出来的vector当中存储的每个string的成员变量的值,将与被拷贝的vector当中存储的每个string的成员变量的值相同,即两个vector当中的每个对应的string成员都指向同一个字符串空间。

image.png

这显然不是我们得到的结果,那么所给代码是如何解决这个问题的呢?

image.png

代码中看似是使用普通的“=”将容器当中的数据一个个拷贝过来,实际上是调用了所存元素的赋值运算符重载函数,而string类的赋值运算符重载函数就是深拷贝。

总结: 如果vector当中存储的元素类型是内置类型(int)或浅拷贝的自定义类型(Date),使用memcpy函数进行进行拷贝构造是没问题的,但如果vector当中存储的元素类型是深拷贝的自定义类型(string),则使用memcpy函数将不能达到我们想要的效果。

法二:现代写法

拷贝构造函数的现代写法也比较简单,使用范围for(或是其他遍历方式)对容器v进行遍历,在遍历过程中将容器v中存储的数据一个个尾插过来即可。

//拷贝构造,现代写法
    vector(const vector<T>& v)
      :_start(nullptr)
      ,_finish(nullptr)
      ,_endofstorage(nullptr)
    {
      reserve(v.capacity());
      for (auto e : v)
      {
        push_back(e);
      }
    }

注意:在使用范围for对容器v进行遍历的过程中,变量e就是每一个数据的拷贝,然后将其尾插到构造出来的容器当中。就算容器v当中存储的数据是string类,在e拷贝时也会自动调用string的拷贝构造(深拷贝),所以也能够避免出现与使用memcpy时类似的问题。

赋值运算符重载函数


法一:传统写法

首先判断是否是给自己赋值,若是给自己赋值则无需进行操作。若不是给自己赋值,则先开辟一块和容器v大小相同的空间,然后将容器v当中的数据一个个拷贝过来,最后更新_finish和_endofstorage的值即可。

vector<T>& operator=(const vector<T>& v)
{
   if(this!=&v)
    {
      delete[] _start;
      _start=new T[v.capacity()];
      for(size_t i=0;i<v.size();i++)
      {
        _start[i]=v[i];
       }
       _finish=_start+v.size();
       _endofstorage=_start+v.capacity();
     }
    return *this;
  }

注意: 这里和拷贝构造函数的传统写法类似,也不能使用memcpy函数进行拷贝。

写法二:现代写法

赋值运算符重载的现代写法非常精辟,首先在右值传参时并没有使用引用传参,因为这样可以间接调用vector的拷贝构造函数,然后将这个拷贝构造出来的容器v与左值进行交换,此时就相当于完成了赋值操作,而容器v会在该函数调用结束时自动析构。

//现代写法
vector<T>& operator=(vector<T> v) //编译器接收右值的时候自动调用其拷贝构造函数
{
  swap(v); //交换这两个对象
  return *this; //支持连续赋值
}

 注意: 赋值运算符重载的现代写法也是进行的深拷贝,只不过是调用的vector的拷贝构造函数进行的深拷贝,在赋值运算符重载函数当中仅仅是将深拷贝出来的对象与左值进行了交换而已。

析构函数


对容器进行析构时,首先判断该容器是否为空容器,若为空容器,则无需进行析构操作,若不为空,则先释放容器存储数据的空间,然后将容器的各个成员变量设置为空指针即可。

//析构函数
~vector()
{
  if (_start) //避免对空指针进行释放
  {
    delete[] _start; //释放容器存储数据的空间
    _start = nullptr; //_start置空
    _finish = nullptr; //_finish置空
    _endofstorage = nullptr; //_endofstorage置空
  }
}

迭代器相关函数


vector当中的迭代器实际上就是容器当中所存储数据类型的指针。

typedef T* iterator;
typedef const T* const_iterator;
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