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【C++学习手札】模拟实现vector

2024-01-23 58
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简介： 【C++学习手札】模拟实现vector

一、vector实际的底层原理

       C++中的vector底层实现是一个动态数组，也被称为可变数组。当向vector添加元素时，如果数组已经被填满，vector会自动创建一个更大的数组，将原有数据复制到新数组中，并将新元素添加到新数组中。这种自动扩容的机制使得vector能够封装任意数量的对象，而不必关心底层的数组大小。


       vector的成员变量同前面我们学的string不一样，他是通过使用指针来控制起始位置、最后一个数据位置、最大容量位置。定义如下：

class vector
{
public:
  typedef T* iterator;
  typedef const T* const_iterator;
private:
  iterator _start;  
  iterator _finish;
  iterator _endofstorage;
};

配合图解明白：

二、vector的模拟实现

        迭代器相关

        // Vector的迭代器是一个原生指针
        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;
        }

 基本操作（迭代器失效问题）

      插入

       在插入元素期间，可能会引起扩容，让三个指针都指向新的空间，原空间被释放，从而导致原来的迭代器指向的空间错误，对此我们可以返回新的空间的地址解决。

 iterator insert(iterator pos, const T& x)//迭代器失效，返回新的迭代器解决
            {
                    assert(pos >= _start);
                    assert(pos <= finish);
                    if (_finish == _endOfStorage)
                    {
                        size_t len = pos - _start;//避免位置错误,因为在扩容后_start的地址会变化
                        reserve(capacity() == 0 ? 4 : capacity() * 2);
                        pos = start + len;//恢复位置
                    }
                    iterator end = _finish - 1;
                    while (end >= pos)//从后往前挪
                    {
                        *(end + 1) = *end;
                        --end;
                    }
                    *pos = x;
                    ++_finish;
                    return pos;
            }

删除

        删除由于受限制，在这里实现的时候只能通过返回指针来控制删除。通常在使用 erase 进行删除时，我们需要额外定义一个迭代器来接受原迭代器，通过选择语句来进行批量删除的判断。有如下例子：（我们要删除迭代器中可以被2整除的数，以此解决迭代器的问题）

iterator erase(Iterator pos)//迭代器失效，返回新的迭代器解决
                {
                    assert(pos >= _start);
                    assert(pos < _finish);
                    iterator it = pos + 1;//定义一个变量用于删除
                    while (it < _finish)
                    {
                        *(it - 1) = *it;
                        ++it;
                    }
                    --_finish;
                    return pos;
            }

   push_back（）

       复用以上insert的操作，简化代码 。

 void push_back(const T& x)
            {/*
        if (_finish == _endofstorage)
        {
            reserve(capacity() == 0 ? 4 : capacity() * 2);
        }
        *_finish = x;
        ++_finish;*/
                insert(end(), x);
            }

 pop_back（）

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

    swap（）

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

 基本成员函数

       主要是复用上面的基本操作以此来简化代码。

        构造函数

            vector()
                :_start(nullptr)
                ,_finish(nullptr)
                ,_endOfStorage(nullptr)
            {}

在构造时，由于我们都要初始化。我们可以直接给成员变量在定义时就给缺省值，剩下的两个分别是根据指定数量、指定初始化值，以及根据迭代器构造。 

            vector()
            {}
            vector(int n, const T& value = T())
            {
                reserve(n);
                for (int i = 0; i < n; i++)
                {
                    push_back(value);
                }
            }
        template<class InputIterator>
        vector(InputIterator first, InputIterator last)
        {
            while (first != last)
            {
                push_back(*first);
                ++first;
            }
        }

  拷贝构造函数

       特别注意，在进行拷贝构造时，不要使用memcpy，在对诸如：string等类型进行拷贝时，执行的是浅拷贝。我们在这复用push_back()来进行拷贝构造。

        vector(const vector<T>& v)
        {
            reserve(v.capacity());
            for (auto& e : v)
            {
                push_back(e);
            }
            }

 析构函数

       需要释放在堆上动态开辟的空间，并且将指针置空，防止野指针。

        ~vector()
        {
            delete[] _start;
            _start = _finish = _endofstorage = nullptr;
            }

赋值运算符 

        vector<T>& operator= (vector<T> v)
        {
            swap(v);
            return *this;
            }

空间管理

       基本状态 

        size_t capacity() const
        {
            return _endofstorage - _start;
        }
        size_t size() const
        {
            return _finish - _start;
        }
        bool empty()const
        {
            return size() == 0;
        }

  扩容操作

       注意这里不能使用memcpy进行对原有数据的拷贝操作，使用memcpy对于一些存储结构，如string等所做的是浅拷贝的操作。对此，使用会造成很多问题。

        void reserve(size_t n)
        {
            if (n > capacity())
            {
                T* tmp = new T[n];
                size_t sz = size();
                if (_start)
                {
                    //memcpy(tmp, _start, sizeof(T) * sz)//这里用memcpy这里会导致string的vector出错，浅拷贝问题
                    for (size_t i = 0; i < sz; i++)
                    {
                        tmp[i] = _start[i];
                    }
                    delete[] _start;
                }
                _start = tmp;
                _finish = _start + sz;
                _endOfStorage = _start + n;
            }
        }

  resize（）

        如果要扩的空间(n)小于当前数据个数，则截取数据。如果要扩的空间(n)大于当前数据个数则扩容。

        void resize(size_t n, const T& value = T())
        {
            if (n < size())
            {
                _finish =_start + n;
            }
            else
            {
                reserve(n);
                while (_finish < _start + n)
                {
                    *_finish = val;
                    ++_finish;
                }
            }
        }

重载[ ]（最爱的运算符！！！）

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

三、整体代码

#pragma once
#define _CRT_SECURE_NO_WARNINGS 01
#include<iostream>
using namespace std;
namespace lt
{
    template<class T>
    class vector
    {
    public:
        // Vector的迭代器是一个原生指针
        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;
        }
            // construct and destroy
            vector()
                :_start(nullptr)
                ,_finish(nullptr)
                ,_endOfStorage(nullptr)
            {}
            vector(int n, const T& value = T())
            {
                reserve(n);
                for (int i = 0; i < n; i++)
                {
                    push_back(value);
                }
            }
        template<class InputIterator>
        vector(InputIterator first, InputIterator last)
        {
            while (first != last)
            {
                push_back(*first);
                ++first;
            }
        }
        vector(const vector<T>& v)
        {
            reserve(v.capacity());
            for (auto& e : v)
            {
                push_back(e);
            }
            }
        vector<T>& operator= (vector<T> v)
        {
            swap(v);
            return *this;
            }
        ~vector()
        {
            delete[] _start;
            _start = _finish = _endofstorage = nullptr;
            }
            // capacity
             size_t capacity() const
        {
            return _endofstorage - _start;
        }
        size_t size() const
        {
            return _finish - _start;
        }
        bool empty()const
        {
            return size() == 0;
        }
        void reserve(size_t n)
        {
            if (n > capacity())
            {
                T* tmp = new T[n];
                size_t sz = size();
                if (_start)
                {
                    //memcpy(tmp, _start, sizeof(T) * sz)//这里用memcpy这里会导致string的vector出错，浅拷贝问题
                    for (size_t i = 0; i < sz; i++)
                    {
                        tmp[i] = _start[i];
                    }
                    delete[] _start;
                }
                _start = tmp;
                _finish = _start + sz;
                _endOfStorage = _start + n;
            }
        }
        void resize(size_t n, const T& value = T())
        {
            if (n < size())
            {
                _finish =_start + n;
            }
            else
            {
                reserve(n);
                while (_finish < _start + n)
                {
                    *_finish = val;
                    ++_finish;
                }
            }
        }
            ///access///
        T& operator[](size_t pos)
        {
            assert(pos < size());
            return _start[pos];
            }
        const T& operator[](size_t pos)const
        {
            assert(pos < size());
            return _start[pos];
            }
            ///modify/
            void push_back(const T& x)
            {/*
        if (_finish == _endofstorage)
        {
            reserve(capacity() == 0 ? 4 : capacity() * 2);
        }
        *_finish = x;
        ++_finish;*/
                insert(end(), x);
            }
            void pop_back()
            {
                assert(!empty());
                --_finish;
            }
            void swap(vector<T>& v)
            {
                std::swap(_start, v._start);
                std::swap(_finish, v._finish);
                std::swap(_endofstorage, v._endofstorage);
            }
                iterator insert(iterator pos, const T& x)//迭代器失效，返回新的迭代器解决
            {
                    assert(pos >= _start);
                    assert(pos <= finish);
                    if (_finish == _endOfStorage)
                    {
                        size_t len = pos - _start;//避免位置错误,因为在扩容后_start的地址会变化
                        reserve(capacity() == 0 ? 4 : capacity() * 2);
                        pos = start + len;//恢复位置
                    }
                    iterator end = _finish - 1;
                    while (end >= pos)//从后往前挪
                    {
                        *(end + 1) = *end;
                        --end;
                    }
                    *pos = x;
                    ++_finish;
            }
                iterator erase(Iterator pos)//迭代器失效，返回新的迭代器解决
                {
                    assert(pos >= _start);
                    assert(pos < _finish);
                    iterator it = pos + 1;//定义一个变量用于删除
                    while (it < _finish)
                    {
                        *(it - 1) = *it;
                        ++it;
                    }
                    --_finish;
                    return pos;
            }
    private:
        iterator _start = nullptr; // 指向数据块的开始
        iterator _finish = nullptr; // 指向有效数据的尾
        iterator _endOfStorage = nullptr; // 指向存储容量的尾
    };
}

  感谢你耐心的看到这里ღ( ´･ᴗ･` )比心，如有哪里有错误请踢一脚作者o(╥﹏╥)o！ 

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C++
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C++ vector
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C++ 中 std::array＜int, array_size＞ 与 std::vector＜int＞ 的深入对比
本文深入对比了 C++ 标准库中的 `std::array` 和 `std::vector`，从内存管理、性能、功能特性、使用场景等方面详细分析了两者的差异。`std::array` 适合固定大小的数据和高性能需求，而 `std::vector` 则提供了动态调整大小的灵活性，适用于数据量不确定或需要频繁操作的场景。选择合适的容器可以提高代码的效率和可靠性。
oioihoii
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ephemerals__
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5天前
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存储 编译器 C语言
【c++丨STL】vector模拟实现
本文深入探讨了 `vector` 的底层实现原理，并尝试模拟实现其结构及常用接口。首先介绍了 `vector` 的底层是动态顺序表，使用三个迭代器（指针）来维护数组，分别为 `start`、`finish` 和 `end_of_storage`。接着详细讲解了如何实现 `vector` 的各种构造函数、析构函数、容量接口、迭代器接口、插入和删除操作等。最后提供了完整的模拟实现代码，帮助读者更好地理解和掌握 `vector` 的实现细节。
ephemerals__
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梦笔生花伟
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2月前
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编译器 C语言 C++
配置C++的学习环境
【10月更文挑战第18天】如果想要学习C++语言，那就需要配置必要的环境和相关的软件，才可以帮助自己更好的掌握语法知识。 一、本地环境设置 如果您想要设置 C++ 语言环境，您需要确保电脑上有以下两款可用的软件，文本编辑器和 C++ 编译器。 二、文本编辑器 通过编辑器创建的文件通常称为源文件，源文件包含程序源代码。 C++ 程序的源文件通常使用扩展名 .cpp、.cp 或 .c。 在开始编程之前，请确保您有一个文本编辑器，且有足够的经验来编写一个计算机程序，然后把它保存在一个文件中，编译并执行它。 Visual Studio Code：虽然它是一个通用的文本编辑器，但它有很多插
梦笔生花伟
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白子寰
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2月前
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存储 C++ 索引
【C++打怪之路Lv9】-- vector
【C++打怪之路Lv9】-- vector
白子寰
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半截诗
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2月前
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安全 测试技术 C++
【C++篇】从零实现 C++ Vector：深度剖析 STL 的核心机制与优化2
【C++篇】从零实现 C++ Vector：深度剖析 STL 的核心机制与优化
半截诗
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半截诗
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2月前
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安全 测试技术 C++
【C++篇】从零实现 C++ Vector：深度剖析 STL 的核心机制与优化1
【C++篇】从零实现 C++ Vector：深度剖析 STL 的核心机制与优化
半截诗
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努力学习的小廉
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2月前
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编译器 C++
【C++】—— vector模拟实现
【C++】—— vector模拟实现
努力学习的小廉
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nanshaws
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2月前
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Java 编译器 C++
c++学习，和友元函数
本文讨论了C++中的友元函数、继承规则、运算符重载以及内存管理的重要性，并提到了指针在C++中的强大功能和使用时需要注意的问题。
nanshaws
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