【C++STL详解(四)------vector的模拟实现】

文章目录

vector各函数接口总览
vector当中的成员变量介绍
默认成员函数
- - 构造函数1
  - 构造函数2
  - 构造函数3
  - 拷贝构造函数
  - 赋值运算符重载函数
  - 析构函数
迭代器相关函数
- - begin和end
容量和大小相关函数
- - size和capacity
  - reserve
  - resize
  - empty
修改容器内容相关函数
- - push_back
  - pop_back
  - insert
  - erase
  - swap
访问容器相关函数
- - operator[ ]

vector各函数接口总览

namespace zpl
{

  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()；

    iterator end()；

    const_iterator cbegin()；const

    const_iterator cend() const；

    vector()；

    vector(int n, const T& value = T())；

    template<class InputIterator>

    vector(InputIterator first, InputIterator last)；

    vector(const vector<T>& v)；

    vector<T>& operator= (vector<T> v)；

    ~vector()；

    // capacity

    size_t size() const ；

    size_t capacity() const；

    void reserve(size_t n)；

    void resize(size_t n, const T& value = T())；



    ///access///

    T& operator[](size_t pos)；

    const T& operator[](size_t pos)const；



    ///modify/

    void push_back(const T& x)；

    void pop_back()；

    void swap(vector<T>& v)；

    iterator insert(iterator pos, const T& x)；

    iterator erase(Iterator pos)；

  private:

    iterator _start; // 指向数据块的开始

    iterator _finish; // 指向有效数据的尾

    iterator _endOfStorage; // 指向存储容量的尾

  };
}

vector当中的成员变量介绍

在vector当中有三个成员变量_start、_finish
_endofstorage。
在这里插入图片描述
_start指向容器的头，_finish指向容器当中有效数据的尾，_endofstorage指向整个容器的尾。

默认成员函数

构造函数1

编译器会自动支持一个无参的默认构造函数，当我们重载了其它的构造函数，编译器就不会提供了，现在我们想要使用无参的构造函数，就必须自己手动添加了。

//无参的构造函数
vector()
	:_start(nullptr)
	,_finish(nullptr)
	,_endofstorage(nullptr)
{}

构造函数2

ector还支持使用一段迭代器区间进行对象的构造。因为该迭代器区间可以是其他容器的迭代器区间，也就是说该函数接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为一个函数模板。

//利用一段迭代区间构造
template<class InputIterator>
vector(InputIterator first, InputIterator last)
	: _start(nullptr)
	, _finish(nullptr)
	, _endofstorage(nullptr)
{
	reserve(last - first);	//避免构造空容器的构造，和频繁调用扩容
	//干脆直接扩容，然后不停尾插就行了
	while (first != last)
	{
		push_back(*first);
		first++;
	}

构造函数3

vector容器还支持一种构造，就是n个val值的填充，
直接复用resize，后面会实现

vector(size_t n, const T& val = T())
{
	resize(n, val);
}

注意：该构造函数还需要实现两个重载函数。

因为当使用这样构造时，会运行崩溃。

vector<int>v(5,3)

因为当使用这样构造时，编译器并不会调用构造函数3而会调用构造函数2，而构造函数2中对int内置类型进行解引用会程序崩溃，为了让编译器调用构造函数三，必须重载如下两个版本：

vector(int n, const T& val = T())
{
	resize(n, val);
}
vector(long n, const T& val = T())
{
	resize(n, val);
}

拷贝构造函数

vector的构造函数涉及深拷贝问题，这里提供两种深拷贝的写法：
1.传统写法：
拷贝构造的传统写法的思想是我们最容易想到的：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 = new T[v.capacity()];
	//memcpy(_start, v._start, v.size() * sizeof(T));
	for (size_t i = 0; i < v.size(); i++)
	{
		_start[i] = v[i];
	}
	_finish = _start+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。
在这里插入图片描述
每个sting对象都有自己指向的那一块空间。

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。
在这里插入图片描述
这样析构时就会析构两次程序崩溃。

解决办法：
在这里插入图片描述
看似是赋值操作，其实两个string类型对象赋值时，string会去调用它自己的赋值运算符重载，完成深拷贝，结果如下：

在这里插入图片描述
总结： memcpy使用浅拷贝对于内置类型和不需要深拷贝的自定义类型来说是可以的，但遇到像string这种自定义类型，必须要深拷贝，那么我们就不能用memcpy函数了，要调用自定义类型自己的深拷贝。

写法二:现代写法
先调用reserve扩容到与v容量相同，再利用范围for将每个元素push_back尾插过来即可

	//现代写法
	vector(const vector<T>& v)
	{
		reserve(v.capacity());
		for (cosnt 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e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

vector的赋值运算符重载当然也涉及深拷贝问题，我们这里也提供两种深拷贝的写法：
1.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;	//支持连续赋值
}

8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。

2.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)
{
	swap(v);
	return *this;
}

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。

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

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;

begin和end

vector当中的begin函数返回容器的首地址，end函数返回容器当中最后一个有效数据的后面一个地址。

iterator begin()
{
	return _start;
}
iterator end()
{
	return _finish;
}

我们还需要重载一对适用于const对象的begin和end函数，使得const对象调用begin和end函数时所得到的迭代器只能对数据进行读操作，而不能进行修改

const_iterator begin() const
{
	return _start;
}
const_iterator end() const
{
	return _finish;
}

因此vector的迭代器遍历就出来了

vector<int> v(10, 2);
vector<int>::iterator it = v.begin();
while (it != v.end())
{
	cout << *it << " ";
	it++;
}
cout << endl;

支持迭代器就支持范围for

vector<int> v(5, 3);
for (auto& e : v)
{
	cout << e << " ";
}
cout << endl;

容量和大小相关函数

size和capacity

在这里插入图片描述

size_t size() const
{
	return _finish - _start; //有效数据个数
}
size_t capacity() const
{
	return _endofstorage - _start; //总容量大小
}

reserve

reserve规则：
1、当n大于对象当前的capacity时，将capacity扩大到n或大于n。
2、当n小于对象当前的capacity时，什么也不做。
实现reserve还是比较轻松的，先判断要扩大到的容量n是否大于当前容量，大于就需要扩容，判断原容器是否为空容器，为空直接指向新开辟的tmp指向的那块空间，不为空，就需要提前计算好原容器有多少个有效数据，然后拷贝至新容器，再释放旧空间指向新空间就可以了，最后更新一下成员变量。

//一般不缩容，只扩容
void reserve(size_t n)
{
	if (n > capacity())
	{
		size_t sz = size();
		T* tmp = new T[n];
		if (_start)
		{
			for (size_t i = 0; i < sz; i++)
			{
				tmp[i] = _start[i];
			}
			delete[] _start;
		}
		_start = tmp;
		_finish = _start + sz;
		_endofstorage = _start + n;
	}
}

实现reserve函数需要注意两个细节:
细节一：需要提前记录好有效数据的个数，便于更新_finish
因为_start指向新空间后，_start已经不指向原来那块空间的首地址了，现在还是利用size()函数计算有效元素个数那就错了，所以_finish=_start+size()就更新错误结果了。
在这里插入图片描述
细节二:拷贝容器当中的数据时，不能使用memcpy函数进行拷贝。
由于memcpy函数拷贝是浅拷贝，那么当vector数据类型为string这种自定义类型时，拷贝的新容器的元素对象指向的那块空间和拷贝对象指向的空间是同一块空间，那么析构的时候，就会析构两次，导致程序崩溃。
在这里插入图片描述

所以说我们还是得用for循环将容器当中的string一个个赋值过来，因为这样能够间接调用string的赋值运算符重载，实现string的深拷贝。
在这里插入图片描述
这样析构就会各自释放自己对应的那块空间互不干扰。

resize

resize规则：
1、当n大于当前的size时，将size扩大到n，扩大的数据为val，若val未给出，则默认为容器所存储类型的默认构造函数所构造出来的值。
2、当n小于当前的size时，将size缩小到n。
注意如果容量不够，得先扩容

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

注意： 在C++当中内置类型也可以看作是一个类，它们也有自己的默认构造函数，所以在给resize函数的参数val设置缺省值时，设置为T( )即可。

empty

如果_finish与_start指向相同，说明没有有效数据。

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

修改容器内容相关函数

push_back

要尾插数据首先得判断容器是否已满，若已满则需要先进行增容，然后将数据尾插到_finish指向的位置，再将_finish++即可。

void push_back(const T& val)
{
	if (_finish == _endofstorage)
	{
		size_t newcapacity = capacity() == 0 ? 4 : 2 * capacity();
		reserve(newcapacity);
	}
	*_finish = val;
	_finish++;
}

pop_back

尾删数据之前也得先判断容器是否为空，若为空则做断言处理，若不为空则将_finish–即可。

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

insert

insert函数可以在所给迭代器pos位置插入数据，在插入数据前先判断是否需要增容，然后将pos位置及其之后的数据统一向后挪动一位，以留出pos位置进行插入，最后将数据插入到pos位置即可。

iterator insert(iterator pos, const T& val)
{
	assert(pos >= _start && pos <= _finish);
	if (_finish == _endofstorage)
	{
		size_t len = pos - _start;
		size_t newcapacity = capacity() == 0 ? 4 : 2 * capacity();
		reserve(newcapacity);
		pos = _start + len;
	}
	iterator end = _finish - 1;
	while (end >= pos)
	{
		*(end + 1) = *end;
		--end;
	}
	*pos = val;
	_finish++;
	return pos;
}

注意： 若需要增容，则需要在增容前记录pos与_start之间的间隔，然后通过该间隔确定在增容后的容器当中pos的指向，否则pos还指向原来被释放的空间。

erase

erase函数可以删除所给迭代器pos位置的数据，判断pos位置是否合法，删除数据时直接将pos位置之后的数据统一向前挪动一位，将pos位置的数据覆盖即可。

iterator erase(iterator pos)
{
	assert(pos >= _start);
	assert(pos < _finish);
	iterator it = pos + 1;
	while (it < _finish)
	{
		*(it - 1) = *it;
		it++;
	}
	--_finish;
	return pos;
}

swap

swap函数用于交换两个容器的数据，我们可以直接调用库当中的swap函数将两个容器当中的各个成员变量进行交换即可。

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

注意： 在此处调用库当中的swap需要在swap之前加上“::”（作用域限定符），告诉编译器这里优先在全局范围寻找swap函数，否则编译器会认为你调用的就是你正在实现的swap函数（就近原则）。

访问容器相关函数

vector也支持我们使用“下标+[ ]”的方式对容器当中的数据进行访问，实现时直接返回对应位置的数据即可。

operator[ ]

注意：重载运算符[ ]时需要重载一个适用于const容器的，因为const容器通过“下标+[ ]”获取到的数据只允许进行读操作，不能对数据进行修改。

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