C++ 模拟实现vector

目录

一、定义

二、模拟实现

1、无参初始化

2、size&capacity

3、reserve

4、push_back

5、迭代器

6、empty

7、pop_back

8、operator[ ]

9、resize

10、insert

迭代器失效问题

11、erase

12、带参初始化

13、迭代器初始化

14、析构函数

完整版代码

一、定义

本次参考SGI版本STL中的vector模拟实现。

我们可以看到上述源代码中，SGI版本vector是借助指针实现的，元素的处理是通过两个指针来实现的，而不是三个迭代器。这两个指针分别是_start和_finish。

  • _start指针指向vector中的第一个元素。
  • _finish指针指向vector中最后一个元素的下一个位置。

通过_start和_finish指针，可以确定vector中存储的元素范围。

 

此外，SGI版本的vector还使用了一个指针_end_of_storage来表示vector分配的内存空间的末尾位置。

这些指针的使用使得SGI版本的vector能够高效地进行元素的插入、删除和访问操作。

为了不影响VS中STL库已有的vector，我们选择将模拟实现的vector放在自定义命名空间中。

namespace byte
{
	template<class T>
	class vector
	{
    public:

    private:
    	iterator _start;
    	iterator _finish;
	    iterator _end_of_storage;
    };
}

二、模拟实现

1、无参初始化

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

2、size&capacity

size_t capacity() const
{
	return _end_of_storage - _start;
}

size_t size() const
{
	return _finish - _start;
}

3、reserve

void reserve(size_t n)
{
	if (n > capacity())
	{
		size_t sz = size();
		T* tmp = new T[n];
		if (_start)
		{
			memcpy(tmp, _start, sizeof(T) * size());
			delete[] _start;
		}
		_start = tmp;
		_finish = _start + sz;
		_end_of_storage = _start + n;
	}
}

  1. if (n > capacity())：检查传入的n是否大于当前vector的容量。如果是，则需要进行内存重新分配。

  2. size_t sz = size();：保存当前vector的大小（元素个数）。

  3. T* tmp = new T[n];：创建一个新的大小为n的动态数组tmp，用于存储重新分配后的元素。

  4. if (_start)：检查_start指针判断旧空间是否为非空。如果_start指针不为空，说明vector中已经有元素存储在旧的内存空间中。

  5. memcpy(tmp, _start, sizeof(T) * size());：使用memcpy函数将旧的内存空间中的元素复制到新的内存空间tmp中。这样可以保留元素的值。

  6. delete[] _start;：释放旧的内存空间。

  7. _start = tmp;：将_start指针指向新的内存空间tmp。

  8. _finish = _start + sz;：更新_finish指针，使其指向新的内存空间中的最后一个元素的下一个位置。

  9. _end_of_storage = _start + n;：更新_end_of_storage指针，使其指向新的内存空间的末尾位置。 

4、push_back

void push_back(const T& x)
{
	if (_finish == _end_of_storage)
	{
		reserve(capacity() == 0 ? 4 : capacity() * 2);
	}
	*_finish = x;
	++_finish;
}

  1. 使用const T& x作为参数类型可以避免不必要的拷贝操作，因为传入的实参可以直接通过引用访问，而不需要进行拷贝构造。这可以提高性能和效率，特别是当处理大型对象时。

    另外，使用const T& x还可以确保传入的元素不会被修改，因为const关键字表示传入的引用是只读的，函数内部不能修改传入的对象。

  2. if (_finish == _end_of_storage) 这个条件判断用于检查当前vector是否已经达到了内存空间的末尾。如果是，则需要进行内存重新分配。

  3. reserve(capacity() == 0 ? 4 : capacity() * 2) 在需要进行内存重新分配时，调用reserve函数来预留更多的内存空间。这里使用了三目运算符，如果当前容量为0，则预留4个元素的空间，否则将当前容量乘以2来预留更多的空间。

  4. *_finish = x 将传入的元素x赋值给_finish指针所指向的位置，即在vector的末尾插入元素。

  5. ++_finish 将_finish指针向后移动一位，指向新插入元素的下一个位置，以便维护vector的边界。

5、迭代器

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;
}
  • 首先，通过typedef关键字，定义了两个迭代器类型：iterator和const_iterator。iterator表示可修改元素的迭代器，而const_iterator表示只读元素的迭代器。
  • 然后，定义了begin()和end()函数的多个重载版本，用于返回不同类型的迭代器。

6、empty

bool empty()
{
	return _start == _finish;
}

7、pop_back

void pop_back(const T& x)
{
	assert(!empty());
	--_finish;
}

8、operator[ ]

这个类中有两个重载的下标运算符函数，一个是非常量版本的 operator[]，另一个是常量版本的 operator[]。这是为了支持对类对象的读写操作和只读操作的区分。

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

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

9、resize

void resize(size_t n, T val = T())
{
	if (n < size())
	{
		_finish = _start + n;
	}
	else {
		if (n 》 capacity())
			reserve(n);
		while (_finish != _start + n)
		{
			*_finish = val;
			++_finish;
		}
	}
}

函数签名为 void resize(size_t n, T val = T())，接受两个参数：n 表示新的大小，val 表示新元素的默认值（默认为 T()，通过匿名对象T()调用类型 T 的默认构造函数）。

函数的作用是将容器的大小调整为 n。如果 n 小于当前的大小，则将容器的大小缩小为 n，丢弃多余的元素；如果 n 大于当前的大小，则在容器的末尾添加新的元素，直到容器的大小达到 n。

  1. 首先，函数会检查 n 是否小于当前的大小。如果是，说明需要缩小容器的大小，将 _finish 指针移动到新的位置 _start + n，丢弃多余的元素。
  2. 如果 n 大于等于当前的大小，则需要添加新的元素。首先，函数会检查 n 是否大于容器的容量 capacity()。如果 n 大于容量，则调用 reserve 函数来增加容器的容量，以确保容器有足够的空间来存放新的元素。
  3. 然后，使用循环将新的元素 val 添加到容器的末尾，直到容器的大小达到 n。循环中，将 val 赋值给 _finish 指向的位置，然后将 _finish 指针向后移动一位。

匿名对象调用默认构造初始化。

    template<class T>
	void f()
	{
		T x = T();
		cout << x << endl;
	}

  • 在 resize 函数中，T val = T() 是一个带有默认值的函数参数。这里 T() 是对模板参数 T 类型的值初始化，对于内置类型，它会初始化为零（对于指针类型，初始化为 nullptr）。这和 f<T>() 模板函数中的 T x = T() 是一样的。
  • 当你调用 resize 函数时，如果你没有提供第二个参数，那么 val 就会被初始化为 T 类型的默认值。然后，resize 函数会使用 val 的值来填充新添加的元素。
  • 例如，如果你有一个 byte::vector<int> 对象 v，并调用 v.resize(10)，那么 resize 函数会将 v 的大小改变为 10，并使用 int 类型的默认值 0 来填充新添加的元素。这和 f<int>() 函数打印 int 类型的默认值 0 是一样的。

 内置类型的默认初始化和直接初始化。

	void test_vector2()
	{
		// 内置类型有没有构造函数
		int i = int();
		int j = int(1);

		f<int>();
		f<int*>();
		f<double>();
	}

  • int i = int(); 使用值初始化，将 i 初始化为零。int j = int(1); 使用直接初始化，将 j 初始化为 1。

  • 分别使用 int、int* 和 double 作为模板参数调用了 f<T>() 函数。这将分别打印 int、int* 和 double 类型的默认值，即 0、nullptr 和 0。

10、insert

iterator insert(iterator pos, const T& val)
{
	assert(pos >= _start);
	assert(pos <= _finish);

	if (_finish == _end_of_storage)
	{
		size_t len = pos - _start;
		reserve(capacity() == 0 ? 4 : capacity() * 2);

		// 扩容后更新pos，解决pos失效的问题
		pos = _start + len;
	}

	iterator end = _finish-1;
	while (end >= pos)
	{
		*(end + 1) = *end;
		--end;
	}

	*pos = val;
	++_finish;

	return pos;
}

函数接受两个参数，第一个参数 pos 是一个迭代器，表示要插入元素的位置，第二个参数 val 是要插入的元素的值。

函数的实现分为以下几个步骤：

  1. 首先，使用 assert 断言来确保 pos 是一个有效的位置，即 pos 必须在 _start 和 _finish 之间。

  2. 然后，检查是否有足够的空间来插入新的元素。如果 _finish 等于 _end_of_storage，表示当前的内存已经用完，需要重新分配内存。这时，会调用 reserve 函数来重新分配内存，新的容量是当前容量的两倍，如果当前容量为 0，则新的容量为 4。然后，更新 pos 的值，因为重新分配内存后，原来的 pos 可能已经失效。

  3. 接下来，从 _finish-1 开始，将每个元素向后移动一位，直到 pos 的位置，为插入新的元素腾出空间。

  4. 然后，将 val 的值赋给 *pos，即在 pos 的位置插入新的元素。

  5. 最后，将 _finish 向后移动一位，表示 vector 的大小增加了一个元素。

  6. 函数返回插入新元素的位置 pos。

迭代器失效问题

  1. 在 `byte::vector` 类的 `insert` 函数中，如果需要重新分配内存（即 `_finish+ + == _end_of_storage`），那么所有指向原来内存的迭代器都会失效。这是因为 `reserve` 函数会申请新的内存，复制原来的元素到新的内存，然后释放原来的内存。这个过程会导致原来的内存地址不再有效，因此所有指向原来内存的迭代器都会失效。
  2. 在这个函数中，`pos` 是一个迭代器，它指向要插入新元素的位置。如果在插入新元素之前需要重新分配内存，那么 `pos` 就会失效。为了解决这个问题，函数在重新分配内存后，会根据 `pos` 原来的位置（即 `len = pos - _start`）来更新 `pos` 的值（即 `pos = _start + len`）。这样，`pos` 就会指向新内存中相同的位置。
  3. 所以，如果你在调用 `insert` 函数之后还需要使用原来的迭代器，你需要注意迭代器可能已经失效。你可以在插入新元素后，重新获取迭代器的值。例如，如果你在插入新元素后，想要访问新元素，这里不能常量pos使用引用传值，你可以使用 `insert` 函数的返回值，它返回的是插入新元素的位置。这时外部插入元素后  (*pos)++; 可以正常运行了。

11、erase

我们先看这个版本的erase：

void erase(iterator pos)
{
	assert(pos >= _start && pos < _finish);
	iterator start = pos + 1;
	while (start != _finish)
	{
		*(start - 1) = *start;
		++start;
	}
	--_finish;
}

 当我们运行以下代码程序VS会报错，linux下g++不会报错。

	void test4()
	{
		std::vector<int> v1;
		v1.push_back(1);
		v1.push_back(2);
		v1.push_back(3);
		v1.push_back(4);
		for (auto e : v1)
		{
			cout << e << " ";
		}
		cout << endl;

		auto pos = find(v1.begin(), v1.end(), 2);
		if (pos != v1.end())
		{
			v1.erase(pos);
		}

		(*pos)++;

		for (auto e : v1)
		{
			cout << e << " ";
		}
		cout << endl;
	}
}

VS下： 

g++下：

这段代码中，v1.erase(pos) 会删除 vector 中的一个元素，这会导致 pos 以及所有在 pos 之后的迭代器失效。然后，代码试图通过 (*pos)++ 访问和修改已经失效的迭代器 pos，这是未定义行为，可能会导致程序崩溃或其他错误。

至于为什么 Visual Studio（VS） 会报错，而 g++ 不会报错，这主要是因为不同的编译器对未定义行为的处理方式不同。VS 的调试模式下对迭代器进行了更严格的检查，当你试图访问失效的迭代器时，它会立即报错。而 g++ 在默认设置下可能不会进行这样的检查，所以它可能不会立即报错，但这并不意味着这段代码是正确的。

下面第一种情况删除非末尾元素时，VS的报错没有意义，但在第二种情况下，VS的报错就非常有意义了。 

为了避免这种问题，你应该在删除元素后，不再使用已经失效的迭代器。如果你需要在删除元素后继续访问 vector，你应该在删除元素后重新获取迭代器的值。例如，vector::erase 函数会返回一个指向被删除元素之后的元素的迭代器，你可以使用这个返回值来更新 pos 。

正确版本： 

iterator erase(iterator pos)
{
	assert(pos >= _start);
	assert(pos < _finish);

	iterator start = pos + 1;
	while (start != _finish)
	{
		*(start - 1) = *start;
		++start;
	}

	--_finish;

	return pos;
}

我们来测试一下删除偶数：

void test5()
{
	byte::vector<int> v1;
	v1.push_back(1);
	v1.push_back(2);
	v1.push_back(3);
	v1.push_back(4);

	for (auto e : v1)
	{
		cout << e << " ";
	}
	cout << endl;

	//要求删除所有偶数
	byte::vector<int>::iterator it = v1.begin();
	while (it != v1.end())
	{
		if (*it % 2 == 0)
		{
			it=v1.erase(it);
		}
		else
		{
			++it;
		}
	}

	for (auto e : v1)
	{
		cout << e << " ";
	}
	cout << endl;
}

 

12、带参初始化

 一定要对_start、_finish、_out_of_storage进行初始化，不初始化默认随机值。 

vector(size_t n, const T& value = T())
	: _start(nullptr)
	, _finish(nullptr)
	, _end_of_storage(nullptr)
{
	reserve(n);
	while (n--)
	{
		push_back(value);
	}
}

这个构造函数创建一个包含 n 个元素的 vector，每个元素都初始化为 value。value 参数有一个默认值，即 T()，它是 T 类型的默认构造值。

  • _start(nullptr), _finish(nullptr), _end_of_storage(nullptr): 这一行初始化三个迭代器，它们分别指向数组的开始、当前最后一个元素之后的位置，和分配的内存末端。初始化为 nullptr 表示开始时没有分配任何内存。
  • reserve(n): 这个函数调用会分配足够容纳 n 个元素的内存，但不会创建任何元素。
  • while (n--) { push_back(value); }: 这个循环会不断地添加 value 到 vector 中，直到添加了 n 个元素。push_back 函数会在 vector 的末尾添加一个新元素，并可能会增加 vector 的容量（如果需要）。

为什么对 T& 前面要加 const ？

  • 匿名对象声明周期只在当前一行，因为这行之后没人会用它了。
  • const引用会延长匿名对象的声明周期到引用对象域结束，因为以后用xx就是用匿名对象。

13、迭代器初始化

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

这个构造函数使用两个迭代器 first 和 last，它们分别指向输入序列的开始和结束，来初始化 vector。这个构造函数可以用于从任何可迭代的容器（如另一个 vector、列表、数组等）复制元素。

  • 在这个构造函数中，没有显式地调用 reserve 来预分配内存。这意味着每次用 push_back 时，如果当前容量不足以容纳新元素，就会自动进行内存重新分配。
  • while (first != last) { push_back(*first); ++first; }: 这个循环会遍历输入序列的每个元素，从 first 开始，一直到达 last（但不包括 last），并使用每个元素的值调用 push_back，将其添加到 vector 中。

 但是对于这句代码编译之后会报错：

vector<int> v1(10, 5);

 这是因为这段代码在vector(InputIterator first, InputIterator last)和vector(size_t n, const T& value = T())同时存在时，会优先调用前者，但调研之后在函数内部first的模板类型为int，而*first为对int类型解引用，所以这样报错了。

我们只要添加一个int类型重载函数即可解决。

vector(int n, const T& val = T())
{
	reserve(n);
	for (int i = 0; i < n; ++i)
	{
		push_back(val);
	}
}

 这种情况在不加上上述函数可以正常使用，调用vector(size_t n, const T& value = T())。

vector<int> v1(10u, 5);

14、析构函数

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

完整版代码&测试代码

#pragma once
#include<assert.h>
namespace byte
{
	template<class T>
	class vector
	{
	public:
		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;
		}

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

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

		vector(size_t n, const T& value = T())
			: _start(nullptr)
			, _finish(nullptr)
			, _end_of_storage(nullptr)
		{
			reserve(n);
			while (n--)
			{
				push_back(value);
			}
		}

		vector(int n, const T& val = T())
		{
			reserve(n);
			for (int i = 0; i < n; ++i)
			{
				push_back(val);
			}
		}

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

		~vector()
		{
			delete[] _start;
			_start = _finish = _end_of_storage = nullptr;
		}
		
		void reserve(size_t n)
		{
			if (n > capacity())
			{
				size_t sz = size();
				T* tmp = new T[n];
				if (_start)
				{
					memcpy(tmp, _start, sizeof(T) * size());
					delete[] _start;
				}
				_start = tmp;
				_finish = _start + sz;
				_end_of_storage = _start + n;
			}
		}

		void push_back(const T& x)
		{
			if (_finish == _end_of_storage)
			{
				reserve(capacity() == 0 ? 4 : capacity() * 2);
			}
			*_finish = x;
			++_finish;
		}

		void pop_back(const T& x)
		{
			assert(!empty());
			--_finish;
		}

		void insert(iterator pos, const T& val)
		{
			assert(pos >= _start);
			assert(pos <= _finish);
			
			if (_finish == _end_of_storage)
			{
				size_t len = pos - _start;
				reserve(capacity() == 0 ? 4 : capacity() * 2);
				pos = _start + len;
			}

			iterator end = _finish - 1;
			while (end >= pos)
			{
				*(end + 1) = *end;
				--end;
			}
			*pos = val;
			++_finish;
		}

		iterator erase(iterator pos)
		{
			assert(pos >= _start && pos < _finish);
			iterator start = pos + 1;
			while (start != _finish)
			{
				*(start - 1) = *start;
				++start;
			}
			--_finish;

			return pos;
		}

		size_t capacity() const
		{
			return _end_of_storage - _start;
		}

		size_t size() const
		{
			return _finish - _start;
		}

		bool empty()
		{
			return _start == _finish;
		}
		T& operator[](size_t pos)
		{
			assert(pos < size());
			return _start[pos];
		}

		const T& operator[](size_t pos) const
		{
			assert(pos < size());
			return _start[pos];
		}
	private:
		iterator _start;
		iterator _finish;
		iterator _end_of_storage;
	};


	void func(const vector<int>& v)
	{
		for (size_t i = 0; i < v.size(); ++i)
		{
			cout << v[i] << " ";
		}
		cout << endl;

		vector<int>::const_iterator it = v.begin();
		while (it != v.end())
		{
			cout << *it << " ";
			++it;
		}
		cout << endl << endl;
	}

	void test1()
	{
		vector<int> v1;
		v1.push_back(1);
		v1.push_back(2);
		v1.push_back(3);
		for (size_t i = 0; i < v1.size(); i++)
		{
			cout << v1[i] << " ";
		}
		cout << endl;

		vector<int>::iterator it = v1.begin();
		while (it != v1.end())
		{
			cout << *it << " ";
			++it;
		}
		cout << endl;

		for (auto e : v1)
		{
			cout << e << " ";
		}
		cout << endl;
	}

	void test2()
	{
		vector<int> v1;
		v1.push_back(1);
		v1.push_back(2);
		v1.push_back(3);
		v1.push_back(4);
		v1.push_back(5);

		cout << v1.size() << endl;
		cout << v1.capacity() << endl;

		v1.resize(10);

		cout << v1.size() << endl;
		cout << v1.capacity() << endl;

		func(v1);

		v1.resize(3);

		func(v1);
	}

	void test3()
	{
		std::vector<int> v1;
		v1.push_back(1);
		v1.push_back(2);
		v1.push_back(3);
		v1.push_back(4);
		//v1.push_back(5);
		for (auto e : v1)
		{
			cout << e << " ";
		}
		cout << endl;

		/*v1.insert(v1.begin(), 0);
		for (auto e : v1)
		{
		cout << e << " ";
		}
		cout << endl;*/

		auto pos = find(v1.begin(), v1.end(), 3);
		if (pos != v1.end())
		{
			//v1.insert(pos, 30);
			pos = v1.insert(pos, 30);
		}

		for (auto e : v1)
		{
			cout << e << " ";
		}
		cout << endl;

		// insert以后我们认为pos失效了，不能再使用
		(*pos)++;

		for (auto e : v1)
		{
			cout << e << " ";
		}
		cout << endl;
	}

	void test4()
	{
		std::vector<int> v1;
		v1.push_back(1);
		v1.push_back(2);
		v1.push_back(3);
		v1.push_back(4);
		for (auto e : v1)
		{
			cout << e << " ";
		}
		cout << endl;

		//auto pos = find(v1.begin(), v1.end(), 2);
		auto pos = find(v1.begin(), v1.end(), 4);
		if (pos != v1.end())
		{
			v1.erase(pos);
		}

		(*pos)++;

		for (auto e : v1)
		{
			cout << e << " ";
		}
		cout << endl;

	}

	void test5()
	{
		byte::vector<int> v1;
		v1.push_back(1);
		v1.push_back(2);
		v1.push_back(3);
		v1.push_back(4);

		for (auto e : v1)
		{
			cout << e << " ";
		}
		cout << endl;

		//要求删除所有偶数
		byte::vector<int>::iterator it = v1.begin();
		while (it != v1.end())
		{
			if (*it % 2 == 0)
			{
				it=v1.erase(it);
			}
			else
			{
				++it;
			}
		}

		for (auto e : v1)
		{
			cout << e << " ";
		}
		cout << endl;
	}

	void test6()
	{
		vector<int> v1(10, 5);
		for (auto e : v1)
		{
			cout << e << " ";
		}
		cout << endl;

		vector<int> v2(v1.begin() + 1, v1.end() - 1);
		for (auto e : v2)
		{
			cout << e << " ";
		}
		cout << endl;

		std::string s1("hello");
		vector<int> v3(s1.begin(), s1.end());
		for (auto e : v3)
		{
			cout << e << " ";
		}
		cout << endl;

		int a[] = { 100, 10, 2, 20, 30 };
		vector<int> v4(a, a + 3);
		for (auto e : v4)
		{
			cout << e << " ";
		}
		cout << endl;

		v1.insert(v1.begin(), 10);
		for (auto e : v1)
		{
			cout << e << " ";
		}
		cout << endl;
	}
}

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