vector的基本使用和模拟实现
一、std::vector基本介绍
1.1 常用接口说明
std::vector是STL中的一个动态数组容器，它可以自动调整大小，支持在数组末尾快速添加和删除元素，还支持随机访问元素。
以下是std::vector常用的接口及其说明：
push_back(): 在容器末尾添加元素
std::vector<int> vec{1, 2, 3};
vec.push_back(4);
pop_back(): 删除容器末尾的元素
std::vector<int> vec{1, 2, 3};
vec.pop_back();
size(): 返回容器中元素的个数
std::vector<int> vec{1, 2, 3};
std::cout << vec.size() << std::endl; //输出3
-
empty(): 判断容器是否为空 -
reserve(): 分配容器的内部存储空间，但不改变元素个数
std::vector<int> vec{1, 2, 3};
vec.reserve(10); // 分配10个int大小的空间
其中的reserve接口，你说是分配容器空间，这是在堆上还是栈上开辟空间？那如果重新分配的空间比现有空间小，会发生什么？以及重新分配的空间大于现有空间，是在现有的基础上直接扩容，还是舍弃现有空间，将现有数据拷贝到新的空间上？
新分配的内存空间位于堆上。如果重新分配的空间比现有空间小，std::vector 会舍弃多余的元素。如果新分配的空间比现有空间大，std::vector 会重新分配内存，并将原有数据复制到新的内存空间中。
需要注意的是，重新分配内存并将原有数据复制到新的内存空间中，可能会导致性能问题。因此，如果您能够预估存储的数据量，建议在创建 std::vector 时就预分配足够的内存空间，以避免频繁地重新分配内存。
resize(): 改变容器的元素个数
std::vector<int> vec{1, 2, 3};
vec.resize(5);
-
clear(): 删除容器中的所有元素 -
at(): 返回指定位置的元素
std::vector<int> vec{1, 2, 3};
std::cout << vec.at(1) << std::endl; //输出2
-
front(): 返回容器中第一个元素 -
back(): 返回容器中最后一个元素 -
begin(): 返回指向容器中第一个元素的迭代器，end(): 返回指向容器中最后一个元素之后位置的迭代器
std::vector<int> vec{1, 2, 3};
for (auto it = vec.begin(); it != vec.end(); ++it) {
std::cout << *it << " ";
}
reverse()：反转vector
std::vector::reverse 不是重新分配容器空间的接口，它是用于反转容器中元素的顺序。也就是将容器中第一个元素和最后一个元素交换，第二个元素和倒数第二个元素交换，以此类推。
1.2 代码示例
1.2.1 遍历vector的几种方式
以下示例中分别提到了:下标+[], 迭代器, 范围for, 反向迭代器
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(5);
for (size_t i = 0; i < v.size(); i++) //1、下标+[]
{
cout << v[i] << " ";
}
vector<int>::iterator it = v.begin(); //2、迭代器
while (it != v.end())
{
cout << *it << " ";
it++;
}
for (auto e : v) //3、范围for
{
cout << e << " ";
}
vector<int>::reverse_iterator rit = v.rbegin(); // 4、反向迭代器
while (rit != v.rend())
{
cout << *rit << " ";
rit++;
}
// 5 4 3 2 1
}
不难发现，用范围for访问的元素可以直接输出，而通过for循环，从v.begin()开始的迭代器it，却需要解引用。这是因为，在范围for循环中，迭代器是被自动解引用的。
在范围for循环中，循环变量的类型是根据容器元素的类型自动推导出来的，而不是容器的迭代器类型。对于std::vector<int>容器，其元素类型是int，因此在范围for循环中，循环变量的类型是int，而不是std::vector<int>::iterator。
1.2.2 使用迭代器区间构造对象
vector<int> v2(++v.begin(), --v.end()); //利用迭代器区间构造对象————区间左闭右开
// 2 3 4
string s("hello world");
vector<char> v3(s.begin(), s.end()); //其它容器的迭代器只要类型匹配同样适用
vector<int> v4;
v4.assign(s.begin(), s.end()); //assign接口类似————中文意思为分配
以上示例中，提到了利用迭代器区间构建对象这种方式是左闭右开的，例如：(v.begin() + 1, v.begin() + 4)，这代表下标为[2, 5)的元素。
只要迭代器的类型与vector所存储的元素类型相同，就可以使用迭代器区间构建新的vector对象。例如上面提到的char类型的vector和char类型的string是可以匹配的。
1.2.3 vector的初始化
void test_vector2()
{
vector<int> v;
v.reserve(10);//开空间改变容量，但不初始化
//错误访问——————下标引用操作符会检查插入位置是否合法，即小于_size
//for (size_t i = 0; i < 10; i++)
//{
// v[i] = i;
//}
//正确访问
for (size_t i = 0; i < 10; i++)
{
v.push_back(i);
}
v.resize(20);//开空间+初始化
}
上述示例中，提到了我在OJ题中经常弄糊涂的内容，使用reserve进行初始化是最好的，因为不会像resize那样，擅自向vector中填入值，但使用后记得不要使用下标引用操作符去访问，而是使用push_back
1.2.4 insert\查找\排序
void test_vector3()
{
int a[] = { 1,2,3,4,5 };
vector<int> v(a, a + 5);
//头插
v.insert(v.begin(), 0); //第一个参数传入的是迭代器
//在2前面插入
vector<int>::iterator pos = find(v.begin(), v.end(), 2); //find函数位于算法库中algorithm
if (pos != v.end()) //查找失败会返回end位置的迭代器
{
v.insert(pos, 20);
}
// 0 1 20 2 3 4 5
//sort排序
sort(v.begin(), v.end()); // 0 1 2 3 4 5 20
sort(v.begin(), v.end(), greater<int>()); //greater<int>是一个仿函数类，需要调用库函数是functional
// 20 5 4 3 2 1 0
}
上述例子注释写得很清楚，印象最深的是二叉树后序遍历可以巧用头插获取返回结果。下面主要讲解sort的第三个参数：
sort函数的第三个参数是可选的比较函数，用于指定排序时的元素比较规则。当不指定比较函数时，默认使用小于号进行比较，即升序。
在sort(v.begin(), v.end(), greater<int>())中，greater<int>()是一个函数对象，用于指定降序排序的比较规则。greater<int>()是一个模板类，它重载了函数调用运算符operator()，实现了比较规则。对于两个元素x和y，如果greater<int>()(x, y)返回true，则x会被排在y之前。
因此，sort(v.begin(), v.end(), greater<int>())实现了对容器v进行降序排序的操作，greater<int>()是用于指定比较规则的函数对象，它实现了元素的比较运算。
下面是一个简单的实现：
template<typename T>
struct greater
{
bool operator()(const T& x, const T& y) const
{
return x > y;
}
};
这个定义了一个模板类greater，它有一个函数调用运算符operator()。operator()接受两个参数x和y，表示要比较的两个元素，它的返回值是一个bool类型，表示x是否应该排在y之前。在这个实现中，operator()的比较规则是x大于y，即从大到小排序。
1.2.5 erase删除
void test_vector4()
{
int a[] = { 1,2,3,4,5 };
vector<int> v(a, a + 5);
//头删
v.erase(v.begin()); //参数传入下标位置的迭代器，或迭代器区间
//删除2
vector<int>::iterator pos = find(v.begin(), v.end(), 2);
if (pos != v.end())
{
v.erase(pos);
}
}
上述例子中主要写了erase的使用方式，参数是一个vector的迭代器。
二、vector模拟实现
这个 vector 类中包含了：构造函数、拷贝构造、使用迭代器区间初始化的构造函数、析构。
实现了普通迭代器和只读迭代器，及其对应的begin()和end()函数。
这个类中的成员变量为私有类型的普通迭代器类型的。记录了vector开始位置、最后一个数据的下一个位置、最大容量的下一个位置。
size()和capacity()能返回容器的元素个数和已开辟空间大小。
reserve()用于为容器重新分配空间，如果分配的空间小于现有空间容量，则不处理。否则，会重新分配空间，拷贝现有数据到新空间，并修改成员变量。
insert()用于向容器中插入元素，插入时需要将所在位置及其以后的元素全部向后移动，移动时是从后往前。
erase()用于删除某个元素，参数为要删除元素的迭代器。删除后还需要从前往后开始，逐一将元素向前移动。
resize()用于调整空间大小，并将未初始化的位置赋予指定的值。当调整的空间小于现有元素个数，会舍弃掉多出的元素。当调整的大小介于元素个数和有效空间之间时，会初始化这些多出来的部分。当调整的大小大于有效空间时，会重新开辟空间，并将现有数据拷贝过去，然后初始化多余部分。
其他接口比较简单，就不再单独描述。
template<class T>
class vector
{
public:
typedef T* iterator;
typedef const T* const_iterator;
vector()
:_start(nullptr)
,_finish(nullptr)
,_endofstorage(nullptr)
{}
vector(const vector<T>& v)
:_start(nullptr)
, _finish(nullptr)
, _endofstorage(nullptr)
{
reserve(v.capacity());
for (const auto e : v) {
push_back(e);
}
}
template <class InputIterator>
vector(InputIterator first, InputIterator last)
:_start(nullptr)
, _finish(nullptr)
, _endofstorage(nullptr)
{
while (first != last) {
push_back(*first);
first++;
}
}
~vector() {
delete[] _start;
_start = _finish = _endofstorage = nullptr;
}
iterator begin() {
return _start;
}
iterator end() {
return _finish;
}
const_iterator begin()const {
return _start;
}
const_iterator end()const {
return _finish;
}
size_t capacity() const{
return _endofstorage - _start;
}
size_t size() const{
return _finish - _start;
}
void reserve(size_t num) {
if (num > capacity()) {
size_t sz = size();
T* tmp = new T[num];
memcpy(tmp, _start, sz * sizeof(T));
_start = tmp;
_finish = _start + sz;
_endofstorage = _start + num;
}
}
iterator insert(iterator pos, const T& num){
assert(pos >= begin() && pos <= end());
if (_finish == _endofstorage) {
size_t len = pos - _start;
size_t newcapacity = capacity() == 0 ? 4 : capacity() * 2;
reserve(newcapacity);
pos = _start + len;
}
iterator end = _finish - 1;
while (end >= pos) {
*(end + 1) = *end;
end--;
}
*pos = num;
_finish++;
return pos;
}
iterator erase(iterator pos) {
assert(pos >= begin() && pos < end());
//删除指定下标的数据，并把其后的数据依次向前挪动
iterator it = pos + 1;
while (it != end()){
*(it - 1) = *it;
it++;
}
--_finish;
return pos;
}
void push_back(const T& num){
insert(end(), num);
}
T& operator[](size_t i) {
assert(i < size());
return *(_start + i);
}
void swap(vector<T>& v) {
std::swap(v._start, _start);
std::swap(v._finish, _finish);
std::swap(v._endofstorage, _endofstorage);
}
vector<T>& operator=(vector<T> v) {
swap(v);
return *this;
}
void resize(size_t n, const T& val = T()) {
//开的空间小于size（把超出范围的舍弃）介于size和capacity（初始化_finish以后的空间）
//大于capacity（要重新开空间，并且初始化_finish以后的空间）
if (n <= size()){
_finish = _start + n;
}
else{
if (n > capacity()){
reserve(n);
}
while (_finish < _start + n) {
*_finish = val;
_finish++;
}
}
}
private:
iterator _start;
iterator _finish;
iterator _endofstorage;
};
三、reverse浅拷贝Bug
不难发现，在上述模拟实现的vector::reverse()中，如果模版类型T为std::string，那string中含有一些指针成员变量，通过memcpy将其浅拷贝到新空间后，又进行了一次delete，在生命周期结束时，也会进行delete，就会造成崩溃。
3.1 解决方案
既然要销毁原有空间，那为何不通过std::move将左值转换为右值，然后拷贝到新空间去。
下面通过伪代码进行举例：
template <typename T>
void MyVector<T>::reserve(size_t newCapacity)
{
if (newCapacity <= m_capacity)
return;
T* newData = new T[newCapacity];
for (size_t i = 0; i < m_size; i++)
{
newData[i] = std::move(m_data[i]); // 深复制
}
delete[] m_data;
m_data = newData;
m_capacity = newCapacity;
}
上述代码没有考虑使用迭代器成员变量，容量和有效数据数量均为size_t类型，数据类型为T*
在这个实现中，我们使用了 std::move 函数将 m_data[i] 的内容移动到 newData[i] 中，从而进行深复制，避免了多个 std::string 对象共享同一块内存空间的问题。同时，在析构函数中也只需要简单地使用 delete[] 删除 m_data 指向的内存即可。
3.2 move函数
std::move 是一个 C++11 中引入的函数，它能够将一个对象的值转移到另一个对象中，同时将原对象置于一种“移动状态”，从而避免不必要的对象复制和销毁。
std::move 本质上是将一个左值引用转换成右值引用。在 C++ 中，左值引用是指向左值的引用，右值引用是指向右值的引用。左值是可以取地址的、有持久性的、具名的、具有明确定义的生命周期的值，而右值则是无法取地址的、临时的、没有名称的、生命周期不确定的值。在 C++11 中，我们可以通过使用 && 运算符来声明右值引用。
具体来说，当我们调用 std::move 函数时，它将接受一个左值引用，并返回一个右值引用，表示该对象的值可以被移动。通常情况下，我们会将返回的右值引用绑定到另一个对象上，从而将原对象的值移动到新对象中。例如：
std::vector<int> v1{1, 2, 3};
std::vector<int> v2 = std::move(v1); // 将 v1 的值移动到 v2 中
需要注意的是，在使用 std::move 移动对象时，只会移动对象的值，也就是说会将对象的成员变量的值复制到新的内存位置，但不会复制对象的状态，比如对象的引用计数、对象的资源句柄等等。移动完成后，原对象的值会被置为“移后”的状态，这个状态下对象的行为是未定义的，我们不能再对其进行读取或修改。在移动一个对象之后，如果我们需要继续使用该对象，就必须重新对其进行赋值或初始化。
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