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vector类的模拟实现

时间：2023-08-18 21:01:26浏览次数：60  
标签：const iterator 实现 pos start vector 模拟 size

一、vector的介绍

vector的文档介绍

1、vector是表示可变大小数组的序列容器。

2、就像数组一样，vector也采用的连续存储空间来存储元素。也就是意味着可以采用下标对vector的元素进行访问，和数组一样高效。但是又不像数组，它的大小是可以动态改变的，而且它的大小会被容器自动处理。

3、本质讲，vector使用动态分配数组来存储它的元素。当新元素插入时候，这个数组需要被重新分配大小为了增加存储空间。其做法是，分配一个新的数组，然后将全部元素移到这个数组。就时间而言，这是一个相对代价高的任务，因为每当一个新的元素加入到容器的时候，vector并不会每次都重新分配大小。

4、vector分配空间的策略：vector会分配一些额外的空间以适应可能的增长，因为存储空间比实际需要的存储空间更大。不同的库采用不同的的策略权衡空间的使用和重新分配。但无论如何，重新分配都应该是对数增长的间隔大小，以至于在末尾插入一个元素的时候是在常数时间的复杂度完成的。

5、因此，vector占用了更多的存储空间，以换取管理存储和以高效方式动态增长的能力。

6、与其它动态容器相比，vector在访问元素的时候更加高效，在末尾添加和删除元素相对高效。对其他不再末尾的删除和插入操作，效率更低。与list和florward_list相比，迭代器和引用的一致性较差。

二、vector的使用

1、vector的定义

构造函数声明

接口说明

vector()

无参构造

vector(size_t n, const value_type& val=value_type())

构造并初始化n个

val

vector(const vector& x)

拷贝构造

vector(InputIterator fristt, InputIterator last)

使用迭代器进行初

始化构造

2、vector iterator的使用

iterator的使用

接口说明

begin+end

获取第一个数据位置的iterator/const_iterator， 获取最

后一个数据的下一个位置的iterator/const_iterator


rbegin+rend

获取最后一个数据位置的reverse_iterator，获取第一个数

据前一个位置的reverse_iterator


vector类的模拟实现_vector类

3、vector的空间增长问题

容量空间

接口说明

size

获取数据个数

capacity

获取容量大小

empty

判断是否为空

resize

改变vector的size

reserve

改变vector的capacity

  • vs下capacity是按1.5倍增长的，g++是按2倍增长的。vs是PJ版本的STL，g++是SGI版本的STL。
  • reserve只负责开辟空间，如果确定知道需要多少空间，reserve可以缓解vector扩容的代价缺陷问题。
  • resize在开辟空间的同时还会进行初始化。

4、vector增删查改

vector增删查改

接口说明

push_back

尾插

pop_back

尾删

find

查找（这个是算法模块实现，不是vector的成员接口）

insert

在pos位置之前插入val

erase

删除pos位置的数据

swap

交换两个vector的数据空间

operator[]

向数组一样访问

三、迭代器失效

迭代器的主要作用就是让算法能够不用关心底层数据结构，其底层实际就是就是一个指针，或者对指针进行了封装，比如：vector的迭代器就是原生态指针T*。因此迭代器失效，实际就是迭代器底层对应指针所指向的空间被销毁了，而使用了一块已经被释放的空间，造成的后果是程序崩溃（即如果继续使用已经失效的迭代器，程序可能会崩溃）。

对于vector可能会导致迭代器失效的操作有：

1、会引发其底层空间改变的操作，都有可能是迭代器失效，比如：resize、reserve、insert、assign、push_back等。

vector类的模拟实现_迭代器失效_02

void Test14()
{
	vector<int> v{ 1,2,3,4,5,6 };
	auto it = v.begin();
	// 将有效元素个数增加到100个，多出的位置使用8填充，操作期间底层会扩容
	// v.resize(100, 8);
	// reserve的作用就是改变扩容大小但不改变有效元素个数，操作期间可能会引起底层容量改变
	// v.reserve(100);
	// 插入元素期间，可能会引起扩容，而导致原空间被释放
	// v.insert(v.begin(), 0);
	// v.push_back(8);
	// 给vector重新赋值，可能会引起底层容量改变
	//v.assign(100, 8);
	/*
	出错原因：以上操作，都有可能会导致vector扩容，也就是说vector底层原理旧空间被释放掉，
	而在打印时，it还使用的是释放之间的旧空间，在对it迭代器操作时，实际操作的是一块已经被释放的
	空间，而引起代码运行时崩溃。
	解决方式：在以上操作完成之后，如果想要继续通过迭代器操作vector中的元素，只需给it重新
	赋值即可。
	*/
	while (it != v.end())
	{
		cout << *it << " ";
		++it;
	}
	cout << endl;
}

2、指定位置元素的删除操作，erase

void Test15()
{
	int a[] = { 1, 2, 3, 4 };
	vector<int> v(a, a + sizeof(a) / sizeof(int));
	// 使用find查找3所在位置的iterator
	vector<int>::iterator pos = find(v.begin(), v.end(), 3);
	// 删除pos位置的数据，导致pos迭代器失效。
	v.erase(pos);
	cout << *pos << endl; // 此处会导致非法访问
}

erase删除pos位置元素后，pos位置之后的元素会往前搬移，没有导致底层空间的改变，理论上讲迭代器不应该会失效，但是：如果pos刚好是最后一个元素，删完之后pos刚好是end的位置，而end位置是没有元素的，那么pos就失效了。因此删除vector中任意位置上元素时，vs就认为该位置迭代器失效了。

3、与vector类似，string在插入、扩容操作、erase之后，迭代器也会失效

void Test16()
{
	string s("hello");
	auto it = s.begin();
	// 放开之后代码会崩溃，因为resize到20会string会进行扩容
	// 扩容之后，it指向之前旧空间已经被释放了，该迭代器就失效了
	// 后序打印时，再访问it指向的空间程序就会崩溃
	//s.resize(20, '!');
	while (it != s.end())
	{
		cout << *it;
		++it;
	}
	cout << endl;
	it = s.begin();
	while (it != s.end())
	{
		it = s.erase(it);
		// 按照下面方式写，运行时程序会崩溃，因为erase(it)之后
		// it位置的迭代器就失效了
		// s.erase(it);
		++it;
	}
}

迭代器失效的解决办法：在使用前，对迭代器重新赋值即可。

四、vector类的模拟实现

因为类模板声明与定义分离会导致一些问题，这里声明和定义就写在一起

1、成员变量

namespace lsx
{
	template<class T>
	class vector
	{
	public:
		typedef T* iterator;
	  typedef const T* const_iterator;
  private:
		iterator _start = nullptr;
		iterator _finish = nullptr;
		iterator _end_of_storage = nullptr;
    //这里给了缺省值
	};
}

vector类的模拟实现_vector类_03

2、默认构造函数

先写一个最简单的构造函数，因为我们成员变量给了缺省值，默认构造函数里什么都不用写了。

vector()//构造函数
{

}

3、析构函数

~vector()//析构函数
{
	delete[]_start;
	_start = nullptr;
	_finish = nullptr;
	_end_of_storage = nullptr;
}

4、reserve函数

void reserve(size_t n)//调整容量
{
	if (n > capacity())//大于当前容量才扩容
	{
		T* tmp = new T[n];//先开新空间
		int sz = size();//记录size
		for (int i = 0;i < sz;i++)//这里不能用memcpy，会有浅拷贝问题
		{
			tmp[i] = _start[i];
		}
		delete[]_start;//释放旧空间，此时三个指针都还指向旧空间
		//让三个指针都指向新空间
		_start = tmp;
		_finish = _start + sz;
		_end_of_storage = _start + n;
	}
}

vector类的模拟实现_迭代器失效_04

vector类的模拟实现_vector类_05

5、insert函数与push_back函数

iterator insert(iterator pos, const T& x)//插入
{
	assert(pos <= _finish);
	assert(pos >= _start);
	if (_finish == _end_of_storage)//扩容
	{
		int len = pos - _start;//记录pos的位置，方便迭代器失效后重置
		reserve(capacity() == 0 ? 4 : capacity() * 2);
		pos = _start + len;//重置迭代器
	}
	//挪数据
	iterator it = _finish;
	while (it != pos)
	{
		*it = *(it - 1);
		--it;
	}
	++_finish;
	*pos = x;//插入数据
	return pos;//返回有效的迭代器
}

void push_back(const T& x)//尾插
{
	insert(_finish, x);
}

6、swap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);
}

7、拷贝构造函数

vector(vector<T>& v)//拷贝构造
{
	reserve(v.capacity());//给新的vector扩容
	for (auto a : v)//把v里的数据逐个尾插拷贝到新的vector里
	{
		push_back(a);
	}
}

8、赋值重载函数

vector<T>& operator=(vector<T> v)//赋值重载
{
	//形参是实参的一份临时拷贝，所以这里v就是我们想要的
	//让自己和v交换一下就好了
	swap(v);
	return *this;
}

9、迭代器

//迭代器
inline iterator begin()
{
	return _start;
}
inline iterator end()
{
	return _finish;
}
inline const_iterator begin()const
{
	return _start;
}
inline const_iterator end()const
{
	return _finish;
}

10、erase函数与pop_back函数

iterator erase(iterator pos)//删除
{
	assert(pos < _finish);
	assert(pos >= _start);
	iterator it = pos;
	while (it < _finish - 1)//挪数据覆盖要删除的数据
	{
		*it = *(it + 1);
		it++;
	}
	--_finish;
	return pos;
}

void pop_back()//尾删
{
	erase(end() - 1);
}

11、resize函数

void resize(size_t n, const T& x= T())//调整size
{                    //这里T()能够针对不同的类型给出不同的默认值
	reserve(n);
	if (n <= size())//如果n小于或等于size就要删除数据
	{
		_finish = _start + n;
	}
	else//如果n大于size就要添数据
	{
		while (_finish < _end_of_storage)//添数据
		{
			*_finish = x;
			++_finish;
		}
	}
}

12、operator[]函数

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

13、size函数与capacity函数

inline size_t size()const//返回size
{
	return _finish - _start;
}
inline size_t capacity()const//返回capacity 
{
	return _end_of_storage - _start;
}

14、其他构造函数

①可以用别的迭代器来构造，因为是函数模板，这个迭代器不一定是同类型的。例如可以拿

string的迭代器给vector<int>构造

template<class Inputiterator>
vector(Inputiterator frist, Inputiterator last)//拿迭代器构造
{
	while (frist != last)
	{
		push_back(*frist);
		++frist;
	}
}
void Test18()
{
	string s("wsadbsdc");
	lsx::vector<int> v(s.begin(), s.end());
	for (auto a : v)
	{
		cout << a << " ";
	}
}

vector类的模拟实现_vector类_06

②可以用n个x来构造

vector(size_t n, const T& x = T())//拿n个x构造
{
	resize(n, x);
}

在实现了上面两个构造函数后，运行下面这段代码

void Test19()
{
	lsx::vector<int> v(10, 2);
}

将会报错

vector类的模拟实现_迭代器失效_07

原因是：

vector类的模拟实现_vector类_08

解决办法很简单，再写一个更加匹配的构造函数专门用来匹配int：

vector(int n, const T& x = T())//拿n个x构造
{
	resize(n, x);
}

15、全部代码

#include<iostream>
#include<assert.h>
using namespace std;
namespace lsx
{
	template<class T>
	class vector
	{
	public:
		typedef T* iterator;
	    typedef const T* const_iterator;

		vector()//构造函数
		{

		}
		vector(size_t n, const T& x = T())//拿n个x构造
		{
			resize(n, x);
		}
		vector(int n, const T& x = T())//拿n个x构造
		{
			resize(n, x);
		}
		template<class Inputiterator>
		vector(Inputiterator frist, Inputiterator last)//拿迭代器构造
		{
			while (frist != last)
			{
				push_back(*frist);
				++frist;
			}
		}
		~vector()//析构函数
		{
			delete[]_start;
			_start = nullptr;
			_finish = nullptr;
			_end_of_storage = nullptr;
		}
		vector(vector<T>& v)//拷贝构造
		{
			reserve(v.capacity());//给新的vector扩容
			for (auto a : v)//把v里的数据逐个尾插拷贝到新的vector里
			{
				push_back(a);
			}
		}
		vector<T>& operator=(vector<T> v)//赋值重载
		{
			//形参是实参的一份临时拷贝，所以这里v就是我们想要的
			//让自己和v交换一下就好了
			swap(v);
			return *this;
		}
		


		iterator insert(iterator pos, const T& x)//插入
		{
			assert(pos <= _finish);
			assert(pos >= _start);
			if (_finish == _end_of_storage)//扩容
			{
				int len = pos - _start;//记录pos的位置，方便迭代器失效后重置
				reserve(capacity() == 0 ? 4 : capacity() * 2);
				pos = _start + len;//重置迭代器
			}
			//挪数据
			iterator it = _finish;
			while (it != pos)
			{
				*it = *(it - 1);
				--it;
			}
			++_finish;
			*pos = x;//插入数据
			return pos;//返回有效的迭代器
		}
		void push_back(const T& x)//尾插
		{
			insert(_finish, x);
		}
		iterator erase(iterator pos)//删除
		{
			assert(pos < _finish);
			assert(pos >= _start);
			iterator it = pos;
			while (it < _finish - 1)//挪数据覆盖要删除的数据
			{
				*it = *(it + 1);
				it++;
			}
			--_finish;
			return pos;
		}
		void pop_back()//尾删
		{
			erase(end() - 1);
		}
		void reserve(size_t n)//调整容量
		{
			if (n > capacity())//大于当前容量才扩容
			{
				T* tmp = new T[n];//先开新空间
				int sz = size();//记录size
				for (int i = 0;i < sz;i++)//这里不能用memcpy，会有浅拷贝问题
				{
					tmp[i] = _start[i];
				}
				delete[]_start;//释放旧空间，此时三个指针都还指向旧空间
				//让三个指针都指向新空间
				_start = tmp;
				_finish = _start + sz;
				_end_of_storage = _start + n;
			}
		}
		void resize(size_t n, const T& x= T())//调整size
		{                    //这里T()能够针对不同的类型给出不同的默认值
			reserve(n);
			if (n <= size())//如果n小于或等于size就要删除数据
			{
				_finish = _start + n;
			}
			else//如果n大于size就要添数据
			{
				while (_finish < _end_of_storage)//添数据
				{
					*_finish = x;
					++_finish;
				}
			}
		}
		void swap(vector<T>& v)
		{
			std::swap(_start, v._start);
			std::swap(_finish, v._finish);
			std::swap(_end_of_storage, v._end_of_storage);
		}


		//迭代器
		inline iterator begin()
		{
			return _start;
		}
		inline iterator end()
		{
			return _finish;
		}
		inline const_iterator begin()const
		{
			return _start;
		}
		inline const_iterator end()const
		{
			return _finish;
		}


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


		inline size_t size()const//返回size
		{
			return _finish - _start;
		}
	    inline size_t capacity()const//返回capacity 
		{
			return _end_of_storage - _start;
		}
	

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



如有错误，欢迎指正，谢谢。

完结。。。。

标签：const,iterator,实现,pos,start,vector,模拟,size
From： https://blog.51cto.com/u_15855358/7141234

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