🌠 作者：@阿亮joy.
🎆专栏：《吃透西嘎嘎》
🎇 座右铭：每个优秀的人都有一段沉默的时光，那段时光是付出了很多努力却得不到结果的日子，我们把它叫做扎根
目录
- 👉前言👈
- 👉如何看源码👈
- 👉vector 的模拟实现👈
- **vector 的主要框架**
- 无参的拷贝构造
- 正向迭代器
- size 和 capacity
- reserve 和 resize
- push_back 和 pop_back
- [ ] 运算符重载
- insert 和 erase
- front 和 back
- swap 和 clear
- 析构函数
- 拷贝构造函数
- 赋值运算符重载
- 用 n 个 val 来构造
- 👉memcpy 带来的浅拷贝问题👈
- 👉总结👈
👉前言👈
我们接下来要模拟实现的 vector，主要参照源码来写。但也不是完全照抄源码，主要是实现 vector 核心的函数接口，知道 vector 的底层实现逻辑。
👉如何看源码👈
源码并不是每一行都要看懂，而是抓住源码的核心。那对于一个类，我们需要关注的是这个类的成员变量和核心的成员函数。而 vector 的成员函数我们不用太关心，因为 STL 要实现哪些函数接口是有规定的。
以下为 vector 源码的成员变量。
注：源码中的 vector 的成员变量都是迭代器，而 vector 的迭代器是指针。而我们之前写的 string 和顺序表都是T* a; size_t _size; size_t _capacity，那为什么源码要这么定义成员变量呢？见下图：
其实这两种定义成员变量的方式本质上是一致的，只是换了种玩法而已。
👉vector 的模拟实现👈
vector 的主要框架
namespace Joy
{
template<class T>
class vector
{
public:
typedef T* iterator;
typedef const T* const_iterator;
private:
iterator _start;
iterator _finish;
iterator _endofstorage;
};
}
为了避免跟库里的 vector 冲突了，我们用命名空间将我们自己实现的 vector 封装起来。
无参的拷贝构造
vector()
:_start(nullptr)
, _finish(nullptr)
, _endofstorage(nullptr)
{}
注：_start 指向第一个位置，_finish 指向最后一个元素的下一个位置，_endofstorage 指向最大容量的下一个位置。
正向迭代器
iterator begin()
{
return _start;
}
iterator end()
{
return _finish;
}
const_iterator begin() const
{
return _start;
}
const_iterator end() const
{
return _finish;
}
size 和 capacity
bool empty() const
{
return _start == _finish;
}
size_t size() const
{
return _finish - _start;
}
size_t capacity() const
{
return _endofstorage - _start;
}
指针相减为两个指针之间的元素个数，所以_finish - _start 为 size，_endofstorage - _start为 capacity。当_start == _finish时，size 为0。
reserve 和 resize
void reserve(size_t n)
{
if (n > capacity())
{
size_t oldSize = size();
T* tmp = new T[n];
// _start为nullptr时，不需要拷贝数据
if (_start)
{
memcpy(tmp, _start, sizeof(T) * oldSize);
delete[] _start;
}
_start = tmp;
_finish = tmp + oldSize;
_endofstorage = tmp + n;
}
}
void resize(size_t n, T x = T())
{
if (n > capacity())
{
reserve(n);
}
if (n > size())
{
while (_finish < _start + n)
{
*_finish = x;
++_finish;
}
}
else
{
_finish = _start + n;
}
}
reserve 函数接口说明
注：使用 memcpy 函数来拷贝数据会带来一些问题，我们在后面的内容会讲解。
如果没有oldSize来记录原来 size 的大小，就需要考虑成员变量的更新顺序了。见下方代码：
// 错误的更新方式:先更新_start
_start = tmp;
_finish = tmp + size();
_endofstorage = tmp + n;
// 正确的更新方式:先更新_finish
_finish = tmp + size();
_start = tmp;
_endofstorage = tmp + n;
如果先更新_start的话，那么就无法通过size()来得到原来的size了，从而出现 BUG。所以我们可以用oldSize来记录size的大小，那么这样就没有更新成员变量的先后顺序问题了。当_start为nullstr时，，说明 vector 对象中没有数据，不需要拷贝数据；反之则通过 memcpy 函数来拷贝数据。最后更新相关成员变量的大小。
resize 函数接口说明
只有当n > capacity()时，才会去调整capacity的大小（采取不缩容的原则）。如果n > size()的话，就利用 while 循环插入x，这个过程_finish也刚好更新了。如果n <= size()的话，就只需要修改_finish为_start + n。
push_back 和 pop_back
void push_back(const T& x)
{
if (_finish == _endofstorage)
{
int newCapacity = capacity() == 0 ? 4 : capacity() * 2;
reserve(newCapacity);
}
*_finish = x;
++_finish;
}
void pop_back()
{
assert(!empty());
--_finish;
}
push_back 函数接口说明
首先需要判断是否需要扩容，当_finish == _endofstorage时，容量已满，需要扩容。扩容之后，就插入数据，更新_finish。
pop_back 函数接口说明
先断言 vector 类对象是否为空，如果为空，就直接报错；如果不为空，就删除数据。
[ ] 运算符重载
T& operator[](size_t pos)
{
assert(pos < size());
return _start[pos];
}
const T& operator[](size_t pos) const
{
assert(pos < size());
return _start[pos];
}
函数接口功能测试
void vectorTest1()
{
vector<int> v;
v.push_back(1);
v.push_back(2);
v.push_back(3);
v.push_back(4);
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;
v.pop_back();
v.pop_back();
v.pop_back();
for (auto e : v)
{
cout << e << " ";
}
cout << endl;
}
void vectorTest2()
{
vector<int> v;
v.resize(10, -1);
for (auto e : v)
{
cout << e << " ";
}
cout << endl;
v.resize(5);
for (auto e : v)
{
cout << e << " ";
}
cout << endl;
}
insert 和 erase
// 迭代器失效：野指针问题
iterator insert(iterator pos, const T& x)
{
assert(pos >= _start);
assert(pos < _finish);
if (_finish == _endofstorage)
{
// 保存pos和_start的相对位置，避免迭代器失效问题
size_t len = pos - _start;
size_t newCapacity = capacity() == 0 ? 4 : capacity() * 2;
reserve(newCapacity);
// 扩容会导致pos迭代器失效，需要更新处理一下
pos = _start + len;
}
// 挪动数据
iterator end = _finish - 1;
while (end >= pos)
{
*(end + 1) = *end;
--end;
}
*pos = x;
++_finish;
return pos;
}
// STL规定erase返回删除位置下一个位置迭代器
iterator erase(iterator pos)
{
assert(!empty());
assert(pos >= _start);
assert(pos < _finish);
iterator begin = pos + 1;
while (begin < _finish)
{
*(begin - 1) = *begin;
++begin;
}
--_finish;
return pos;
}
insert 函数接口说明
注：insert 的返回值为新插入元素的位置。
首先要判断pos位置是否合法，然后插入数据。插入数据时，需要判断容量是否已满，是否需要扩容。如果需要扩容的话，则需要将pos和_start的相对距离保存为len。如果保存它们的相对距离的话，扩容将会造成迭代器失效，从而导致野指针问题。那为什么扩容就会带来迭代器失效的问题呢？因为扩容有可能是异地扩容的，异地扩容的话，那么pos就不会在_start和_finish之间。
所以，保存了pos和_start的相对距离，就可以在扩容后更新pos的值了，从而避免迭代器失效造成野指针问题。解决这个问题后，就移动数据，插入数据，更新_finish就行了。
现在，我们就写好了 insert 函数接口。那我想问大家一个问题，在我们插入数组后，find 函数返回的迭代器是否还可以再用，也就是说是否还可以对 it 进行读写操作。不能，因为也有可能带来野指针问题。那为什么会这样呢？因为插入数据时会发生异地扩容，然后迭代器 it 就会失效。有小伙伴就会说了，我们刚才不是已经解决了这个问题了吗。其实，我们只是解决了 insert 函数内部的迭代器失效问题，并未解决外部的迭代器失效问题，也就是说 it 不在_start和_finish之间了。
通过上图就可以清楚地看到，it 已经不在_start和_finish之间。这时候，对 it 进行读写操作就是纯纯的野指针问题。
erase 函数接口说明
进行相关的断言，挪动数据，更新_finish。
那我再想问大家一个问题，这里的迭代器 it 会不会失效呢？我们先来看一下 VS 对这一问题的判定。
可以看到，程序没有报错直接就崩掉了。所以 VS 认为这样是不行的。那么我们再去 Linux 下跑一下这段代码。
可以发现，这段代码是可以在 Linux 下跑过的。那我们再来试一下写能不能跑过。可以发现，写也没什么问题。
注：不同的编译器跑的结果一般不一样。
那迭代器 it 究竟是失效还是不生效呢？其实，我个人认为是失效的。
如果删除最后一个位置的元素，那么 it 就是v.end()。其实如果我们将要删除的元素改成5,后，代码在 Linux 下也能跑过。为什么呢？因为我们现在模拟实现的 vector 就是 Linux 下的 vector 源码。删除数据就只是指针减减一下，而 it 此时指向的位置不再是有效数据的位置，但是操作系统无法做到对每个位置的越界访问都进行检查，所以上面的代码可以跑过。
那我们再来验证一下，我们自己实现的 vector 是不是也可以在 VS 下跑过。
是不是可以跑过啊！！！那为什么用 VS 下的 vector 就不能跑过呢？原因就是 VS 的 vector 原码的迭代器并不是原生指针，而是函数调用（以后会讲解）。所以，我们应该认为 it 会失效，不要对其进行读写操作。
删除所有的偶数
void vectorTest5()
{
vector<int> v;
v.push_back(1);
v.push_back(2);
v.push_back(2);
v.push_back(3);
v.push_back(4);
v.push_back(6);
auto it = v.begin();
while (it != v.end())
{
if (*it % 2 == 0)
{
it = v.erase(it);
}
else
{
it++;
}
}
for (auto e : v)
{
cout << e << " ";
}
cout << endl;
}
注：删除 it 位置后，我们需要接收一下 erase 函数的返回值，erase 函数的返回值为删除元素的下一个元素的位置。如果不接受 erase 函数的返回值，就会有可能出现各种情况。见下图：
注：我们要统一认为调用 erase(it) 函数后，迭代器 it 会失效。
front 和 back
T& front()
{
assert(!empty());
return *_start;
}
const T& front() const
{
assert(!empty());
return *_start;
}
T& back()
{
assert(!empty());
return *(_finish - 1);
}
const T& back() const
{
assert(!empty());
return *(_finish - 1);
}
swap 和 clear
void swap(vector<T>& v)
{
std::swap(_start, v._start);
std::swap(_finish, v._finish);
std::swap(_endofstorage, v._endofstorage);
}
void clear
{
_finish = _start;
}
注：swap 函数交换两个类对象成员变量的值就行了，clear 函数不能将 _start 置为 nullptr，否则将会造成内存泄漏问题。
析构函数
~vector()
{
delete[] _start;
_start = _finish = _endofstorage = nullptr;
}
拷贝构造函数
传统写法1
vector(const vector<T>& v)
{
size_t Size = v.size();
_start = new T[Size];
for (size_t i = 0; i < Size; ++i)
{
_start[i] = v._start[i];
}
_finish = _endofstorage = _start + Size;
}
注：该写法不能用 memcpy 函数来拷贝数据，因为这样会导致浅拷贝问题（将会在下面的内容讲解）。
传统写法2
vector(const vector<T>& v)
: _start(nullptr)
, _finish(nullptr)
, _endofstorage(nullptr)
{
reserve(v.capacity());
//reserve(v.size());
for (auto& e : v)
{
push_back(e);
}
}
注：该写法使用范围 for 来尾插数据，一定要加引用。因为 e 有可能是自定义类型，不用引用的话，会存在拷贝构造。
现代写法
// 用迭代器来构造对象
template <class InputIterator>
vector(InputIterator first, InputIterator last)
: _start(nullptr)
, _finish(nullptr)
, _endofstorage(nullptr)
{
while (first != last)
{
push_back(*first);
++first;
}
}
vector(const vector<T>& v)
: _start(nullptr)
, _finish(nullptr)
, _endofstorage(nullptr)
{
vector<T> tmp(v.begin(), v.end());
swap(tmp);
}
赋值运算符重载
// v1 = v2
// v1 = v1 极少数情况，且能保证正确性，所以这样写没有什么问题
vector<T>& operator=(vector<T> v)
{
swap(v);
return *this;
}
用 n 个 val 来构造
vector(size_t n, const T& val = T())
: _start(nullptr)
, _finish(nullptr)
, _endofstorage(nullptr)
{
reserve(n);
for (size_t i = 0; i < n; ++i)
{
push_back(val);
}
}
其实只写这个函数接口的话，会带来一个问题。我们来看一下。
我本来想要 10 个 1来构造出来一个 vector 对象，编译器怎么给我报了个非法间接寻址的错误呢？原因是在这，因为用迭代器去构造对象的函数比上面写的用 n 个 val 构造对象的函数更匹配（int 需要类型转换成 size_t，而迭代器模板构造函数不用类型转换），编译器会调用更加匹配的函数，所以就导致了非法间接寻址。
那如果我们就是想用 n 个 val 来构造对象的函数，应该解决呢？我们可以再多写个下面的函数来形成函数重载。
vector(int n, const T& val = T())
: _start(nullptr)
, _finish(nullptr)
, _endofstorage(nullptr)
{
reserve(n);
for (int i = 0; i < n; ++i)
{
push_back(val);
}
}
👉memcpy 带来的浅拷贝问题👈
现在我们模拟实现的 vector 已经差不多完成了，那我们拿上一篇博客写的杨辉三角来验证一下我们写的 vector 对不对。
我们一运行起来，程序就崩溃了。为什么这样子呢？其实就是 memcpy 带来的浅拷贝问题。
为了分析方便，我们换一个例子来说明这个问题，然后再回过头来分析杨辉三角的问题。
可以看到，向 vv 尾插4个 v，没有任何的问题。那插入5个 v呢？
插入5个 v，就出现问题了。为什么呢？因为插入5个 v 就要扩容，而扩容就要将原来的数据拷贝到新空间里。reserve 函数里的拷贝数据是采用 memcpy 函数来拷贝数据，而 memcpy 函数是按照字节来拷贝的，是浅拷贝，而我们所想要的是深拷贝。原来问题就是出现在这里。那我们再调试起来看看。
那我们怎么解决这个问题呢？其实很简单，只需要修改一下 reserve 函数里的拷贝数据的形式就可以了。
void reserve(size_t n)
{
if (n > capacity())
{
size_t oldSize = size();
T* tmp = new T[n];
// _start为nullptr时，不需要拷贝数据
if (_start)
{
//memcpy(tmp, _start, sizeof(T) * oldSize);
for (size_t i = 0; i < oldSize; ++i)
{
// 自定义类型需要深拷贝，调用其赋值运算符重载
tmp[i] = _start[i];
}
delete[] _start;
}
_start = tmp;
_finish = tmp + oldSize;
_endofstorage = tmp + n;
}
}
修改过后，我们的程序就可以跑起来了。那我们再来跑一下杨辉三角的程序，看能不能跑起来。
可以看到，杨辉三角的程序也是可以跑起来的，因为其问题也是扩容时的浅拷贝导致的。
完整代码
#pragma once
namespace Joy
{
template<class T>
class vector
{
public:
typedef T* iterator;
typedef const T* const_iterator;
iterator begin()
{
return _start;
}
iterator end()
{
return _finish;
}
const_iterator begin() const
{
return _start;
}
const_iterator end() const
{
return _finish;
}
size_t size() const
{
return _finish - _start;
}
size_t capacity() const
{
return _endofstorage - _start;
}
vector()
: _start(nullptr)
, _finish(nullptr)
, _endofstorage(nullptr)
{}
vector(int n, const T& val = T())
: _start(nullptr)
, _finish(nullptr)
, _endofstorage(nullptr)
{
reserve(n);
for (int i = 0; i < n; ++i)
{
push_back(val);
}
}
vector(size_t n, const T& val = T())
: _start(nullptr)
, _finish(nullptr)
, _endofstorage(nullptr)
{
reserve(n);
for (size_t i = 0; i < n; ++i)
{
push_back(val);
}
}
template <class InputIterator>
vector(InputIterator first, InputIterator last)
: _start(nullptr)
, _finish(nullptr)
, _endofstorage(nullptr)
{
while (first != last)
{
push_back(*first);
++first;
}
}
void swap(vector<T>& v)
{
std::swap(_start, v._start);
std::swap(_finish, v._finish);
std::swap(_endofstorage, v._endofstorage);
}
vector(const vector<T>& v)
: _start(nullptr)
, _finish(nullptr)
, _endofstorage(nullptr)
{
vector<T> tmp(v.begin(), v.end());
swap(tmp);
}
vector<T>& operator=(vector<T> v)
{
swap(v);
return *this;
}
~vector()
{
delete[] _start;
_start = _finish = _endofstorage = nullptr;
}
T& operator[](size_t pos)
{
assert(pos < size());
return _start[pos];
}
const T& operator[](size_t pos) const
{
assert(pos < size());
return _start[pos];
}
void reserve(size_t n)
{
if (n > capacity())
{
int oldSize = size();
T* tmp = new T[n];
if (_start)
{
for (size_t i = 0; i < oldSize; ++i)
{
tmp[i] = _start[i];
}
delete[] _start;
}
_start = tmp;
_finish = tmp + oldSize;
_endofstorage = tmp + n;
}
}
void resize(size_t n, const T& val = T())
{
if (n > capacity())
{
reserve(n);
}
if (n > size())
{
while (_finish < _start + n)
{
*_finish = val;
++_finish;
}
}
else
{
_finish = _start + n;
}
}
void push_back(const T& val = T())
{
if (_finish == _endofstorage)
{
size_t newCapacity = capacity() == 0 ? 4 : capacity() * 2;
reserve(newCapacity);
}
*_finish = val;
++_finish;
}
void pop_back()
{
assert(!empty());
--_finish;
}
bool empty() const
{
return _start == _finish;
}
iterator insert(iterator pos, const T& val)
{
assert(pos >= _start);
assert(pos < _finish);
if (_finish == _endofstorage)
{
size_t len = pos - _start;
size_t newCapacity = capacity() == 0 ? 4 : capacity() * 2;
reserve(newCapacity);
pos = _start + len;
}
// Ų
iterator end = _finish - 1;
while (end >= pos)
{
*(end + 1) = *end;
--end;
}
*pos = val;
++_finish;
return pos;
}
iterator erase(iterator pos)
{
assert(!empty());
assert(pos >= _start);
assert(pos < _finish);
iterator begin = pos + 1;
while (begin < _finish)
{
*(begin - 1) = *begin;
++begin;
}
--_finish;
return pos;
}
void clear()
{
_finish = _start;
}
private:
T* _start;
T* _finish;
T* _endofstorage;
};
}
👉总结👈
本篇博客讲解了 vector 的模拟实现，带大家理解 vector 的底层实现。那么以上就是本篇博客的全部内容了，如果大家觉得有收获的话，可以点个三连支持一下！谢谢大家！💖💝❣️
![[go学习笔记.第十七章.redis的使用] 1.redis的使用](https://img-blog.csdnimg.cn/3c1b1bd5127849738cfb6f846160e71b.png)
