STL详解 - vector的模拟实现

news2025/4/16 13:54:43

目录

一、整体设计

1.1 核心结构

1.2 迭代器实现

二、核心接口实现

2.1 构造函数系列

🌴默认构造

🌴迭代器范围构造

🌴元素填充构造

2.2 拷贝控制

🌵拷贝构造函数

🌵赋值运算符(现代写法)

2.3 析构函数

三、容量管理

 3.1 size

3.2 capacity 

3.3 reserve 扩容

3.4 resize 调整大小

四、辅助函数

4.1 下标访问

4.2 empty 

五、 插入与删除

5.1 insert 插入

5.2 push_back

5.3 pop_back

5.4 erase 删除

六、源码

七、测试示例


一、整体设计

1.1 核心结构

vector 的核心是通过动态内存管理实现一个动态数组。它维护了三个指针:

  • _start:指向数组的起始位置。

  • _finish:指向数组的当前结束位置(即最后一个元素的下一个位置)。

  • _endofstorage:指向分配的内存的结束位置(即最大容量)。

通过这三个指针,vector 可以动态调整数组的大小,同时支持高效的随机访问和插入/删除操作。

template<class T>
class vector 
{
private:
    T* _start = nullptr;      // 数据起始位置
    T* _finish = nullptr;     // 数据结束位置
    T* _endofstorage = nullptr; // 容量结束位置
};

1.2 迭代器实现

        通过原生指针实现随机访问迭代器:提供 begin end 方法,支持迭代器访问 vector 的元素。

typedef T* iterator;
typedef const T* const_iterator;

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

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

二、核心接口实现

2.1 构造函数系列

🌴默认构造

默认构造函数初始化一个空的 vector,所有指针都初始化为 nullptr。 

vector() // 使用编译器生成的默认构造
{
}

🌴迭代器范围构造

通过迭代器范围构造一个 vector,逐个将元素插入到新 vector 中。模板参数支持各类迭代器,包括原生指针。

template<class InputIterator>
vector(InputIterator first, InputIterator last)
{
    while (first != last)
    {
        push_back(*first);// 逐个插入元素
        ++first;
    }
}

🌴元素填充构造

构造一个包含 n 个元素的 vector,每个元素初始化为 val。通过 reserve 分配足够的内存,并逐个插入元素。

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

注意:需额外提供int版本避免类型推导冲突:

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

2.2 拷贝控制

🌵拷贝构造函数

拷贝构造函数通过 reserve 分配与原 vector 相同的容量,并逐个复制元素。这样可以确保新 vector 的容量和内容与原 vector 一致。

vector(const vector<T>& v) 
{
    reserve(v.capacity());
    for (auto e : v) // 范围for遍历
    {  
        push_back(e);   // 深拷贝每个元素
    }
}

🌵赋值运算符(现代写法)

赋值运算符通过 swap 实现,先将右值的 vector 与当前 vector 交换,然后返回当前 vector 的引用。这种方式称为 "拷贝并交换",可以避免自我赋值的问题。

vector<T>& operator=(vector<T> v) // 传值拷贝临时对象
{ 
    swap(v);            // 交换资源
    return *this;       // 自动释放原内存
}

swap 函数用于交换两个 vector 的内容。通过交换指针,可以高效地完成交换操作,而无需复制数据。 

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

2.3 析构函数

析构函数释放分配的内存,并将指针置为 nullptr,避免悬空指针。

~vector()
{
    delete[] _start;// 释放数组空间
    _start = _finish = _endofstorage = nullptr;// 置空防野指针
}

三、容量管理

3.1 size

返回当前 vector 的大小,即 _finish - _start

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

3.2 capacity 

返回 vector 的当前容量,即 _endofstorage - _start

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

3.3 reserve 扩容

reserve 用于分配至少 n 个元素的内存。如果当前容量不足,则分配新的内存,将旧数据复制到新内存中,然后释放旧内存。

关键点必须逐个拷贝元素保证深拷贝,直接内存拷贝(memcpy)会导致浅拷贝问题。

void reserve(size_t n) 
{
    if (n > capacity()) 
    {
        size_t old_size = size();  // 保存原元素个数
        T* tmp = new T[n];         // 申请新空间
        
        // 深拷贝旧元素(不能用memcpy)
        for (size_t i = 0; i < old_size; ++i) 
        {
            tmp[i] = _start[i];  // 调用T的赋值运算符
        }
        
        delete[] _start;  // 释放旧空间
        
        // 更新指针
        _start = tmp;
        _finish = tmp + old_size;
        _endofstorage = tmp + n;
    }
}

3.4 resize 调整大小

resize 用于调整 vector 的大小。如果新大小大于当前大小,则分配更多内存并填充默认值;如果新大小小于当前大小,则直接调整 _finish 指针。

void resize(size_t n, const T& val = T()) 
{
    if (n > size())  // 扩容部分
    {     
        reserve(n);
        while (_finish < _start + n) 
        {
            *_finish = val;  // 填充默认值
            ++_finish;
        }
    } 
    else // 缩容部分
    {              
        _finish = _start + n; // 逻辑缩容,物理容量不变
    }
}

四、辅助函数

4.1 下标访问

operator[] 提供随机访问功能,通过索引访问 vector 的元素。

T& operator[](size_t pos)
{
    assert(pos < size());// 越界检查

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

    return _start[pos];
}

4.2 empty 

empty 判断 vector 是否为空,即 _start _finish 是否相等。

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

五、 插入与删除

5.1 insert 插入

insert 在指定位置插入一个元素。如果内存不足,则通过 reserve 扩容。插入时需要将插入点之后的元素向后移动,为新元素腾出空间。

迭代器失效处理扩容后需重新计算pos位置

void insert(iterator pos, const T& val) 
{
    assert(pos >= _start && pos <= _finish);
    
    // 空间不足时扩容
    if (_finish == _endofstorage) 
    {
        size_t len = pos - _start;  // 保存相对位置
        reserve(capacity() == 0 ? 4 : capacity() * 2);
        pos = _start + len;         // 解决迭代器失效
    }
    
    // 后移元素
    iterator it = _finish - 1;
    while (it >= pos) 
    {
        *(it + 1) = *it;  // 从后向前搬移
        --it;
    }
    
    *pos = val;     // 插入新元素
    ++_finish;      // 更新大小
}

5.2 push_back

push_back 是在 vector 的末尾插入一个元素,可以复用 insert 实现。

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

	insert(end(), val);// 复用insert逻辑
}

5.3 pop_back

pop_back 删除 vector 的最后一个元素,可以复用 erase 实现。

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

	erase(--end());// 复用erase逻辑
}

5.4 erase 删除

erase 删除指定位置的元素。删除时需要将删除点之后的元素向前移动,填补空缺。

void erase(iterator pos) 
{
    assert(pos >= _start && pos < _finish);
    
    // 前移元素
    iterator it = pos + 1;
    while (it < _finish) 
    {
        *(it - 1) = *it;  // 从前向后搬移
        ++it;
    }
    
    --_finish;  // 更新大小
}

六、源码

#pragma once

#include <assert.h>
#include <iostream>
using namespace std;

namespace lv
{
    template<class T>
    class vector
    {
    public:
        // 定义迭代器类型
        typedef T* iterator;
        typedef const T* const_iterator;

        // 返回迭代器,指向 vector 的起始位置
        iterator begin()
        {
            return _start;
        }

        // 返回迭代器,指向 vector 的结束位置(即最后一个元素的下一个位置)
        iterator end()
        {
            return _finish;
        }

        // 常量版本的 begin 和 end,用于 const 对象
        const_iterator begin() const
        {
            return _start;
        }
        const_iterator end() const
        {
            return _finish;
        }

        // 默认构造函数,初始化一个空的 vector
        vector()
        {
            _start = nullptr;
            _finish = nullptr;
            _endofstorage = nullptr;
        }

        // 拷贝构造函数,通过 reserve 分配与原 vector 相同的容量,并逐个复制元素
        vector(const vector<T>& v)
        {
            reserve(v.capacity());
            for (auto e : v)
            {
                push_back(e);
            }
        }

        // 交换两个 vector 的内容,通过交换指针实现高效交换
        void swap(vector<T> v)
        {
            std::swap(_start, v._start);
            std::swap(_finish, v._finish);
            std::swap(_endofstorage, v._endofstorage);
        }

        // 赋值运算符,通过 "拷贝并交换" 的方式实现,避免自我赋值问题
        vector<T>& operator=(vector<T> v)
        {
            swap(v);
            return *this;
        }

        // 通过迭代器范围构造 vector,逐个插入元素
        template<class InputIterator>
        vector(InputIterator first, InputIterator last)
        {
            while (first != last)
            {
                push_back(*first);
                ++first;
            }
        }

        // 构造一个包含 n 个元素的 vector,每个元素初始化为 val
        vector(size_t n, const T& val = T())
        {
            reserve(n);
            for (size_t i = 0; i < n; i++)
            {
                push_back(val);
            }
        }

        // 析构函数,释放分配的内存,并将指针置为 nullptr
        ~vector()
        {
            delete[] _start;
            _start = _finish = _endofstorage = nullptr;
        }

        // 返回 vector 的当前大小(即元素个数)
        size_t size() const
        {
            return _finish - _start;
        }

        // 返回 vector 的当前容量(即分配的内存量)
        size_t capacity() const
        {
            return _endofstorage - _start;
        }

        // 通过索引访问 vector 的元素,带断言检查索引是否越界
        T& operator[](size_t pos)
        {
            assert(pos < size());
            return _start[pos];
        }

        // 常量版本的 operator[],用于 const 对象
        const T& operator[](size_t pos) const
        {
            assert(pos < size());
            return _start[pos];
        }

        // 分配至少 n 个元素的内存,如果当前容量不足,则重新分配内存并复制旧数据
        void reserve(size_t n)
        {
            if (n > capacity())
            {
                size_t old_size = size();
                T* tmp = new T[n];
                for (size_t i = 0; i < old_size; ++i)
                {
                    tmp[i] = _start[i];
                }
                delete[] _start;

                _start = tmp;
                _finish = tmp + old_size;
                _endofstorage = tmp + n;
            }
        }

        // 调整 vector 的大小,如果新大小大于当前大小,则分配更多内存并填充默认值
        void resize(size_t n, const T& val = T())
        {
            if (n > size())
            {
                reserve(n);
                while (_finish < _start + n)
                {
                    *_finish = val;
                    ++_finish;
                }
            }
            else
            {
                _finish = _start + n;
            }
        }

        // 在指定位置插入一个元素,如果内存不足则扩容
        void insert(iterator pos, const T& val)
        {
            assert(pos >= _start);
            assert(pos <= _finish);

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

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

        // 在 vector 的末尾插入一个元素,通过调用 insert 实现
        void push_back(const T& val)
        {
            insert(end(), val);
        }

        // 删除 vector 的最后一个元素,通过调用 erase 实现
        void pop_back()
        {
            erase(--end());
        }

        // 删除指定位置的元素,将删除点之后的元素向前移动
        void erase(iterator pos)
        {
            assert(pos >= _start);
            assert(pos < _finish);

            iterator it = pos + 1;
            while (it < _finish)
            {
                *(it - 1) = *it;
                ++it;
            }
            --_finish;
        }

        // 判断 vector 是否为空,即 start 和 finish 是否相等
        void empty()
        {
            return _start == _finish;
        }

    private:
        // 指向 vector 起始位置的指针
        iterator _start = nullptr;
        // 指向 vector 结束位置的指针(即最后一个元素的下一个位置)
        iterator _finish = nullptr;
        // 指向分配内存结束位置的指针(即最大容量)
        iterator _endofstorage = nullptr;
    };

    // 打印 vector 的内容
    void print_vector(const vector<int>& v)
    {
        auto it = v.begin();
        while (it < v.end())
        {
            cout << *it << " ";
            it++;
        }
        cout << endl;
    }

    // 测试 vector 的功能
    void test_vector1()
    {
        //......


    }
}

七、测试示例

#include <iostream>
#include <cassert>
using namespace std;

void test_vector()
{
    // 测试默认构造函数和基本的 push_back 操作
    {
        vector<int> v;
        assert(v.empty());
        assert(v.size() == 0);
        assert(v.capacity() == 0);

        v.push_back(1);
        v.push_back(2);
        v.push_back(3);
        assert(v.size() == 3);
        assert(v.capacity() >= 3);

        assert(v[0] == 1);
        assert(v[1] == 2);
        assert(v[2] == 3);
    }

    // 测试拷贝构造函数
    {
        vector<int> v1;
        v1.push_back(10);
        v1.push_back(20);
        v1.push_back(30);

        vector<int> v2(v1);
        assert(v2.size() == 3);
        assert(v2[0] == 10);
        assert(v2[1] == 20);
        assert(v2[2] == 30);
    }

    // 测试赋值运算符
    {
        vector<int> v1;
        v1.push_back(100);
        v1.push_back(200);

        vector<int> v2;
        v2 = v1;
        assert(v2.size() == 2);
        assert(v2[0] == 100);
        assert(v2[1] == 200);
    }

    // 测试迭代器构造函数
    {
        vector<int> v1;
        v1.push_back(1);
        v1.push_back(2);
        v1.push_back(3);

        vector<int> v2(v1.begin(), v1.end());
        assert(v2.size() == 3);
        assert(v2[0] == 1);
        assert(v2[1] == 2);
        assert(v2[2] == 3);
    }

    // 测试插入操作
    {
        vector<int> v;
        v.push_back(1);
        v.push_back(2);
        v.push_back(3);

        v.insert(v.begin() + 1, 10);
        assert(v.size() == 4);
        assert(v[0] == 1);
        assert(v[1] == 10);
        assert(v[2] == 2);
        assert(v[3] == 3);

        v.insert(v.begin(), 20);
        assert(v.size() == 5);
        assert(v[0] == 20);
        assert(v[1] == 1);
        assert(v[2] == 10);
        assert(v[3] == 2);
        assert(v[4] == 3);
    }

    // 测试删除操作
    {
        vector<int> v;
        v.push_back(1);
        v.push_back(2);
        v.push_back(3);
        v.push_back(4);

        v.erase(v.begin() + 1);
        assert(v.size() == 3);
        assert(v[0] == 1);
        assert(v[1] == 3);
        assert(v[2] == 4);

        v.pop_back();
        assert(v.size() == 2);
        assert(v[0] == 1);
        assert(v[1] == 3);
    }

    // 测试 resize 和 reserve
    {
        vector<int> v;
        v.push_back(1);
        v.push_back(2);

        v.resize(5);
        assert(v.size() == 5);
        assert(v[0] == 1);
        assert(v[1] == 2);
        assert(v[2] == 0); // 默认值
        assert(v[3] == 0);
        assert(v[4] == 0);

        v.resize(3);
        assert(v.size() == 3);
        assert(v[0] == 1);
        assert(v[1] == 2);
        assert(v[2] == 0);

        v.reserve(10);
        assert(v.capacity() >= 10);
    }

    // 测试边界条件
    {
        vector<int> v;
        assert(v.empty());
        assert(v.size() == 0);

        try
        {
            v[0]; // 应该抛出断言错误
            assert(false);
        }
        catch (...)
        {
            assert(true);
        }

        v.push_back(1);
        v.erase(v.begin());
        assert(v.empty());
    }

    cout << "All tests passed!" << endl;
}

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