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文章目录
- 📢前言
- 🏳️🌈一、vector 模拟实现的基础
- 🏳️🌈二、构造函数与析构函数
- 🏳️🌈三、元素访问与操作函数
- 🏳️🌈四、数据修改函数
- 🏳️🌈五、赋值运算符重载
- 🏳️🌈整体代码
- 👥总结
📢前言
在 C++ 的编程世界中，vector 是一种极为常用的数据结构。理解其内部工作原理并进行模拟实现，能让我们更深入地掌握 C++ 编程的精髓。本文将带您走进 vector 模拟实现的世界，揭示其背后的神秘面纱，助您提升编程技能。
🏳️🌈一、vector 模拟实现的基础
迭代器的理解
在 vector 的模拟实现中，迭代器起着关键作用。vector 的迭代器本质上是一个原生指针，这使得对元素的访问和操作相对简单。通过指针的移动和解引用，能够方便地实现对 vector 中元素的遍历、读取和修改。但需要注意的是，对于不同的容器，迭代器的实现方式可能会有所不同。比如在链表等非连续存储的容器中，迭代器的实现就会更加复杂，需要考虑节点的连接和遍历逻辑。
私有成员变量的定义及作用
在 vector 的模拟实现中，定义了三个私有成员变量：start、finish 和 end_of_storage。start 指针指向 vector 的第一个元素，finish 指针指向最后一个有效元素的下一个位置，end_of_storage 指针指向整个存储空间的末尾。
这三个指针共同协作，管理着 vector 的存储空间和元素范围。通过对它们的操作和维护，实现了 vector 的动态增长、元素插入、删除、容量调整等功能。例如，在扩容操作中，需要根据 end_of_storage 和 finish 的关系来判断是否需要重新分配更大的空间，并更新这三个指针的值以保证 vector 的正常运作。
private:
iterator _start = nullptr;
iterator _finish = nullptr;
iterator _end_of_storage = nullptr;
vector的定义
🏳️🌈二、构造函数与析构函数
无参构造函数
无参构造函数将三个私有成员变量 start、finish 和 end_of_storage 初始化为 nullptr，实现如下：
vector() {
_start = nullptr;
_finish = nullptr;
_end_of_storage = nullptr;
}
带参数的构造函数（包括 size_t 和 int 类型）
对于带参数的构造函数，当参数类型为 size_t 时，会先为 vector 分配指定数量的空间，并为每个元素进行初始化。代码如下：
vector(size_t n, const T& val = T()) {
_start = new T[n];
_finish = _start;
_end_of_storage = _start + n;
for (size_t i = 0; i < n; ++i) {
*_finish++ = val;
}
}
区间构造函数
区间构造函数接收两个迭代器 first 和 last，通过循环将区间内的元素插入到 vector 中。代码如下：
template <class InputIterator>
vector(InputIterator first, InputIterator last) {
while (first!= last) {
push_back(*first);
++first;
}
}
拷贝构造函数
拷贝构造函数用于创建一个新的 vector 对象，其内容与原对象相同。传统写法如下：
vector(const vector<T>& v) {
_start = new T[v.size()];
for (size_t i = 0; i < v.size(); ++i) {
_start[i] = v._start[i];
}
_finish = _start + v.size();
_end_of_storage = _start + v.capacity();
}
析构函数
析构函数用于释放 vector 所占用的资源，当 _start 不为空时，释放动态分配的内存，并将三个指针置为 nullptr。代码如下：
~vector() {
if (_start) {
delete[] _start;
_start = _finish = _end_of_storage = nullptr;
}
}
🏳️🌈三、元素访问与操作函数
获取迭代器的函数
begin 函数返回一个指向 vector 起始位置的迭代器，代码实现为 iterator begin() { return _start; } 。
end 函数返回一个指向 vector 结束位置（即最后一个元素的下一个位置）的迭代器，实现方式为iterator end() { return _finish; } 。
cbegin 函数返回一个常量迭代器，指向 vector 的起始位置，代码为 const_iterator cbegin() const { return _start; } 。
cend 函数返回一个常量迭代器，指向 vector 的结束位置，即 onst_iterator cend() const { return _finish; } 。
元素访问函数
operator[] 函数用于访问 vector 中的元素。
//它实现了两种版本，一种是 const 版本，用于只读访问，代码为
const T& operator[](size_t pos) const
{
assert(pos < size());
return _start[pos];
}//另一种是非 const 版本，允许通过索引修改元素的值，实现为
T& operator[](size_t pos)
{
assert(pos < size());
return _start[pos];
}
获取容量和大小的函数
size 函数用于获取 vector 中元素的个数，通过计算 _finish - _start 得出，
capacity 函数用于获取 vector 的容量大小，即通过计算 _end_of_storage - _start 得到，
empty 函数用于判断 vector 是否为空，通过比较 _start 和 _finish 是否相等来确定，
size_t size() const
{
return _finish - _start;
}
size_t capacity() const
{
return _end_of_storage - _start;
}
bool empty()
{
return (_finish == _start);
}
在 size_t size() const 中，const 的作用主要有以下几点：
- 表明该函数不会修改类的成员变量：这意味着在函数内部，不能对类的非静态成员变量进行修改操作，保证了函数的只读性质。这对于保证类的封装性和数据的一致性非常重要。
- 允许常量对象调用该函数：如果一个对象被定义为常量，即 const 类型，那么它只能调用 const 成员函数。如果 size 函数没有 const 修饰，那么常量对象就无法调用这个函数来获取元素数量。
例如，假设有一个常量的 vector 对象 const vector v; ，如果 size 函数不是 const 的，就会导致编译错误，而有了 const 修饰，就可以正常通过 v.size() 来获取元素数量。
- 增强代码的可读性和可维护性：当看到一个函数被标记为 const 时，开发者可以立即知道这个函数不会修改对象的状态，有助于更好地理解代码的行为。
🏳️🌈四、数据修改函数
扩容函数（reserve）
reserve函数用于预分配vector的存储空间。
需要注意的是，reserve分配的内存未进行初始化，且访问未初始化的内存可能导致程序崩溃。
总之，在使用这些数据修改函数时，要特别注意迭代器失效的问题，及时更新迭代器以保证程序的正确性。
void reserve(size_t n)
{
if (n > capacity())
{
size_t old_size = size();
T* tmp = new T[n];
//memcpy(tmp, _start, size() * sizeof(T));
// T不一定是内置类型，可能会造成乱码，得深拷贝
for (size_t i = 0; i < old_size; i++)
{
tmp[i] = _start[i];
}
delete[] _start;
_start = tmp;
_finish = _start + old_size;
_end_of_storage = _start + n;
}
}
尾插函数（push_back）
push_back函数用于在vector的末尾添加元素。
当vector的剩余空间不足时，可能会进行内存的重新分配和数据的拷贝。
在一些情况下，这可能导致之前获取的迭代器失效。
void push_back(const T& x)
{
if (_finish == _end_of_storage)
{
reserve(capacity() == 0 ? 4 : capacity() * 2);
}
*_finish = x;
++_finish;
}
改变数组长度函数（resize）
resize函数用于改变vector的有效长度。
如果resize后的长度小于当前长度，会删除多余的元素。
如果大于当前长度，会插入新的元素并进行初始化。
使用resize时，同样要关注迭代器的有效性。
void resize(size_t n, T val = T())
{
if (n < size())
{
_finish = _start + n;
}
else
{
reserve(n);
while (_finish < _start + n)
{
*_finish = val;
++_finish;
}
}
}
插入函数（insert）
insert函数用于在vector的指定位置插入元素。它有多种用法：
- 可以在指定位置插入单个元素，返回指向插入元素的迭代器。
- 能在指定位置插入指定数量的相同元素。
- 还可以插入一个区间内的元素。
在使用insert时需要注意迭代器失效的问题。当插入元素导致vector重新分配内存时，之前获取的迭代器可能会失效。解决方法是在插入操作后重新获取迭代器。
iterator insert(iterator pos, const T& x)
{
assert(pos >= _start);
assert(pos <= _finish);
if (_finish == _end_of_storage)
{
size_t len = pos - begin();// 防止扩容后导致相对位置发生变化
reserve(capacity() == 0 ? 4 : capacity() * 2);
pos = begin() + len;
}
iterator end = _finish - 1;
while (end >= pos)
{
*(end + 1) = *end;
--end;
}
*pos = x;
++_finish;
return pos;
}
删除函数（erase、pop_back）
erase函数可以通过迭代器删除指定元素或指定位置的元素。
使用时要注意迭代器的正确操作，避免出现野指针导致程序错误。
pop_back函数用于删除vector的最后一个元素。
当进行删除操作时，如果导致vector内存重新分配，相关迭代器也可能失效。
void erase(iterator pos)
{
assert(pos >= _start);
assert(pos <= _finish);
iterator it = pos + 1;
while (it != end())
{
*(it - 1) = *it;
it++;
}
--_finish;
}
void pop_back()
{
assert(!empty());
--_finish;
}
🏳️🌈五、赋值运算符重载
在 vector 的模拟实现中，赋值运算符重载 operator= 起着重要的作用。其实现方式通常是通过复制源 vector 的元素来更新目标 vector 的内容。
常见的实现方式是创建一个临时的 vector 对象，将源 vector 的元素复制到这个临时对象中，然后通过交换操作来更新目标 vector 的状态。这样可以避免直接操作目标 vector 可能导致的内存管理问题。
赋值运算符重载的作用主要有以下几点：
- 方便对象之间的赋值操作，使得 vector 对象可以像基本数据类型一样进行赋值，提高了代码的简洁性和可读性。
- 支持不同 vector 对象之间的数据传递和更新，使得代码逻辑更加清晰和易于理解。
- 确保在赋值过程中正确处理内存管理，避免内存泄漏和数据错误。
vector<T>& operator=(const vector<T>& v)
{
if (this != &v)
{
clear();
reverse(v.size());
for (auto& e : v)
{
push_back(e);
}
}
return *this;
}
🏳️🌈整体代码
#pragma once
#define _CRT_SECURE_NO_WARNINGS 1
#include<iostream>
#include<string>
#include<assert.h>
#include<list>
using namespace std;
// 模板的原理是将我们要做的事交给编译器去
// vector<vector<int>> vv(10, v); // 有点像二维数组
// vector<int> v(5, 1);
namespace bit
{
template<class T>
class vector
{
public:
typedef T* iterator;
typedef const T* const_iterator;
// C++11 前置生成默认构造
vector() = default;
// 拷贝构造
//vector(const vector<T>& v)
vector(const vector& v)
{
reserve(v.size());
for (auto& e : v)
{
push_back(e);
}
}
// 重载
vector(size_t n, const T& val = T())
{
reserve(n);
for (size_t i = 0; i < n; i++)
{
push_back(val);
}
}
void clear()
{
_finish = _start;
}
// v3 =v1
vector<T>& operator=(const vector<T>& v)
{
if (this != &v)
{
clear();
reverse(v.size());
for (auto& e : v)
{
push_back(e);
}
}
return *this;
}
// 模板
// 任意类型迭代器初始化，要求类型是匹配的
template <class InputIterator>
vector(InputIterator first, InputIterator last)
{
while (first != last)
{
push_back(*first);
++first;
}
}
~vector()
{
if (_start)
{
delete[] _start;
_start = _finish = _end_of_storage = nullptr;
}
}
iterator begin()
{
return _start;
}
iterator end()
{
return _finish;
}
// 如果第二个const没有，就会导致，对于 const 对象，将无法调用这个 begin 函数。因为 const 对象只能调用 const 成员函数。
const_iterator begin() const
{
return _start;
}
const_iterator end() const
{
return _finish;
}
// 扩容
void reserve(size_t n)
{
if (n > capacity())
{
size_t old_size = size();
T* tmp = new T[n];
//memcpy(tmp, _start, size() * sizeof(T));
// T不一定是内置类型，可能会造成乱码，得深拷贝
for (size_t i = 0; i < old_size; i++)
{
tmp[i] = _start[i];
}
delete[] _start;
_start = tmp;
_finish = _start + old_size;
_end_of_storage = _start + n;
}
}
size_t size() const
{
return _finish - _start;
}
size_t capacity() const
{
return _end_of_storage - _start;
}
bool empty()
{
return (_finish == _start);
}
// 尾插
void push_back(const T& x)
{
if (_finish == _end_of_storage)
{
reserve(capacity() == 0 ? 4 : capacity() * 2);
}
*_finish = x;
++_finish;
}
void pop_back()
{
assert(!empty());
--_finish;
}
iterator insert(iterator pos, const T& x)
{
assert(pos >= _start);
assert(pos <= _finish);
if (_finish == _end_of_storage)
{
size_t len = pos - begin();// 防止扩容后导致相对位置发生变化
reserve(capacity() == 0 ? 4 : capacity() * 2);
pos = begin() + len;
}
iterator end = _finish - 1;
while (end >= pos)
{
*(end + 1) = *end;
--end;
}
*pos = x;
++_finish;
return pos;
}
// 删除指定位置
void erase(iterator pos)
{
assert(pos >= _start);
assert(pos <= _finish);
iterator it = pos + 1;
while (it != end())
{
*(it - 1) = *it;
it++;
}
--_finish;
}
void resize(size_t n, T val = T())
{
if (n < size())
{
_finish = _start + n;
}
else
{
reserve(n);
while (_finish < _start + n)
{
*_finish = val;
++_finish;
}
}
}
T operator[](size_t i)
{
assert(i < size());
return _start[i];
}
//void swap(vector<T>& v)
void swap(vector& v)// 类里面加不加<T>都行
{
std::swap(_start, v._start);
std::swap(_finish, v._finish);
std::swap(_end_of_storage, v._end_of_storage);
}
private:
iterator _start = nullptr;
iterator _finish = nullptr;
iterator _end_of_storage = nullptr;
};
// 添加模板
template<class T>
void print_vector(const vector<T>& v)
{
// 必须加typename
// 在没有实例化的内模板（没有int等）中取东西，编译器不能区分这个const_iterator是类型还是静态成员变量（仅是初步检查）
typename vector<T>::const_iterator it = v.begin();
while (it != v.end())
{
cout << *it << " ";
++it;
}
cout << endl;
for (auto e : v)
{
cout << e << " ";
}
cout << endl;
}
template<class Container>
void print_container(const Container& v)
{
/*auto it = v.begin();
while (it != v.end())
{
cout << *it << " ";
++it;
}
cout << endl;*/
for (auto e : v)
{
cout << e << " ";
}
cout << endl;
}
void test_vector1()
{
vector<int> v;
v.push_back(1);
v.push_back(2);
v.push_back(3);
v.push_back(4);
v.push_back(4);
v.push_back(5);
v.insert(v.begin() + 2, 9);
for (size_t i = 0; i < v.size(); i++)
{
cout << v[i] << " ";
}
cout << endl;
vector<int>::iterator it = v.begin();
while (it != v.end())
{
cout << *it << " ";
++it;
}
cout << endl;
for(auto e : v)
{
cout << e << " ";
}
cout << endl;
cout << endl;
print_vector(v);
cout << endl;
vector<double> vd;
vd.push_back(1.1);
vd.push_back(2.2);
vd.push_back(3.3);
vd.push_back(4.4);
vd.push_back(5.5);
vd.insert(vd.begin() + 2, 9);
print_vector(vd);
}
void test_vector2()
{
vector<int> v;
v.push_back(1);
v.push_back(2);
v.push_back(3);
v.push_back(4);
v.push_back(4);
v.push_back(5);
print_container(v);
// 删除所有的偶数
auto it = v.begin();
while (it != v.end())
{
if (*it % 2 == 0)
v.erase(it);
else
++it;
}
print_container(v);
}
void test_vector3()
{
vector<int> v1;
v1.push_back(1);
v1.push_back(2);
v1.push_back(3);
v1.push_back(4);
v1.push_back(4);
v1.push_back(5);
v1.resize(10, 9);
v1.resize(20);
print_container(v1);
vector<int> v2(v1);
print_container(v2);
vector<int> v3(v1.begin(), v1.begin() + 3);
print_container(v3);
vector<string> v4(10, "11111");
print_container(v4);
v4.push_back("22222");
v4.push_back("22222");
v4.push_back("22222");
v4.push_back("22222");
v4.push_back("22222");
print_container(v4);
}
}
👥总结
vector模拟实现的要点包括：
- 迭代器的巧妙运用，通过原生指针实现简单高效的元素访问和操作。
- 合理定义和管理私有成员变量start、finish和end_of_storage，实现对存储空间和元素范围的精确控制。
- 构造函数涵盖了多种情况，满足不同的初始化需求。
- 丰富的元素访问和操作函数，如insert、erase、push_back等，实现了对元素的灵活处理。
- 准确获取容量、大小等信息，以及通过reserve、resize等函数进行空间管理。
- 赋值运算符重载确保了对象赋值的便捷和安全。
优化方向
- 内存管理优化：可以考虑更精细的内存分配策略，减少不必要的内存浪费和频繁的重新分配。
- 性能提升：例如在插入和删除操作中，采用更高效的数据移动方式。
- 异常处理完善：增强对各种异常情况的处理，提高程序的健壮性。
拓展可能性
- 支持更多的模板参数：如增加内存分配器的选择，适应不同的场景需求。
- 与其他数据结构的结合：例如与链表或树结构结合，形成更复杂但功能更强大的数据结构。
- 多线程安全：使vector在多线程环境下能够安全地进行操作。
- 自定义比较器：支持用户自定义元素的比较规则，丰富排序和查找等操作。
本篇博文对 vector的模拟实现 做了一个较为详细的介绍，不知道对你有没有帮助呢
觉得博主写得还不错的三连支持下吧！会继续努力的~
