C++超详细讲解模拟实现vector

目录

• 1. 模拟实现vector
• 2. vector常用接口
• 2.1 reserve
• 2.2 resize
• 2.3 push_back
• 2.4 pop_back()
• 2.5 insert
• 2.6 erase
• 2.7 构造函数的匹配问题
• 3. 更深层次的深浅拷贝问题

1. 模拟实现vector

我们模拟实现是为了加深对这个容器的理解，不是为了造更好的轮子。

快速搭一个vector的架子

// vector.h
#pragma once
#include <assert.h>
// 模拟实现 -- 加深对这个容器理解，不是为了造更好的轮子
namespace Yuucho
{
	template<class T>
	class vector
	{
	public:
		typedef T* iterator;
		typedef const T* const_iterator;
		vector()
			:_start(nullptr)
			, _finish(nullptr)
			, _endofstorage(nullptr)
		{}
        // 迭代器区间来构造，用模板的原因是存储的类型多种多样
        template <class InputIterator>
		vector(InputIterator first, InputIterator last)
			: _start(nullptr)
			, _finish(nullptr)
			, _endofstorage(nullptr)
		{
			while (first != last)
			{
				push_back(*first);
				++first;
			}
		}
        // 用n个T去构造，但是会隐藏匹配问题
        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);
			}
		}
        void swap(vector<T>& v)
		{
			std::swap(_start, v._start);
			std::swap(_finish, v._finish);
			std::swap(_endofstorage, v._endofstorage);
		}
        //拷贝构造函数
        vector(const vector<T>& v)
			: _start(nullptr)
			, _finish(nullptr)
			, _endofstorage(nullptr)
		{
			vector<T> tmp(v.begin(), v.end());
			swap(tmp);
		}
		// 拷贝赋值函数
		vector<T>& operator=(vector<T> v)
		{
			swap(v);
			return *this;
		}
        // 资源管理
        ~vector()
        {
            if(_start)
            {
                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;
		}
		// 默认是内联，频繁调用不用担心栈帧消耗
		size_t size() const
		{
			return _finish - _start;
		}
		size_t capacity() const
		{
			return _endofstorage - _start;
		}
		void reserve(size_t n)
		{
		}
		//void resize(size_t n, const T& val = T())
		void resize(size_t n, T val = T())
		{
		}
		void push_back(const T& x)
		{
		}
		void pop_back()
		{
		}
		T& operator[](size_t pos)
		{
			assert(pos < size());
			return _start[pos];
		}
		const T& operator[](size_t pos) const
		{
			assert(pos < size());
			return _start[pos];
		}
		iterator insert(iterator pos, const T& x)
		{
		}
        void clear()
        {
            _finish = _start;
        }
	private:
		iterator _start;
		iterator _finish;
		iterator _endofstorage;
	};
}

2. vector常用接口

2.1 reserve

跟string的扩容思路一样。一般不考虑缩容(n<capacity)，因为这是时间换空间的做法，我们要的是效率。

错误代码:

void reserve(size_t n)
{
    // 一般不考虑缩容(n<capacity)
    if(n > capacity())
    {
        T* tmp = new T[n];
    	// capacity为0,n就是4(_endofstorage、_start都为nuptr)
        // 有数据才拷贝
        if(_start)
        {
            memcpy(tmp, _start, size()*sizeof(T));
        	delete[] _start;
        }
        _start = tmp; // 注意,这里start位置变了
    }
    // 更新_finish、_endofstorage
    _finish = _start + size();  // size():_finish - _start, _finish还是空指针
    _endofstorage = _start + capacity;  //capacity起始为0,也不对
}

修正后的代码:

void reserve(size_t n)
{
    // 记录size
    size_t sz = size();
    if(n > capacity())
    {
        T* tmp = new T[n];
        if(_start)
        {
            //memcpy还会隐藏更深层次的深浅拷贝问题，讲解在最后
            memcpy(tmp, _start, size()*sizeof(T));
        	delete[] _start;
        }
        _start = tmp; // 注意,这里start位置变了
    }
    // 更新_finish、_endofstorage
    _finish = _start + sz;  
    _endofstorage = _start + n;
}

2.2 resize

resize是开空间+初始化，size_type就是size_t，value_type就是T。

C++模板出来了语法就必须支持内置类型的默认构造、析构函数。

int()            // 默认构造是0
double()        // 默认构造是0.0
int*()            // 默认构造是nullptr

思路与string一样

//void resize(size_t n, const T& val = T())  严格的编译器编不过,它认为T是临时对象
// 按照库里的写法
void resize(size_t n, T val = T())  // T类型的匿名对象，默认构造函数很重要,内置类型咋办？
{
    if (n > capacity())
	{
		reserve(n);
	}
	if (n > size())
    {
		while (_finish < _start + n)
		{
			*_finish = val;
			++_finish;
		}
	}
    // n < capacity就是删除数据
	else
	{
		_finish = _start + n;
	}
}

2.3 push_back

void push_back(const T& x)
{
    // 满了先扩容
    if(_finish == _endofstorage)
    {
        size_t newCapacity = capacity() == 0 ? 4 : capacity() * 2;
        reserve(newCapacity);
    }
    // 插入数据
    *_finish = x;
    ++_finish;
}

复用insert:

void push_back(const T& x)
{
    insert(end(), x);
}

2.4 pop_back()

void pop_back()
{
    // 如果不为空
    if(_finish > _start)
    {
        --_finish;
    }
}

复用erase:

void pop_back()
{
    erase(end()-1);
}

2.5 insert

库里面的insert是带返回值的，我们先不管，先写一个没有返回值的看看。

void insert(iterator pos, const T& x)
{
	// 检查参数
	assert(pos >= _start && pos <= _finish);
	// 扩容
	if (_finish == _endofstorage)
	{
		size_t newCapacity = capacity() == 0 ? 4 : capacity() * 2;
		reserve(newCapacity);
	}
	// 挪动数据
	iterator end = _finish - 1;
	while (end >= pos)
	{
		*(end + 1) = *end;
		--end;
	}
	*pos = x;
	++_finish;
}

(1) 迭代器失效第一种场景

yeahbaby，现在我们就可以来讲讲迭代器失效的问题了，嘿嘿嘿。

如果插入时没有扩容，ok，那还好说，没有问题。

如果扩容了，reserve会去更新_start和_finish，而不会去更新pos(pos还是会指向旧空间，迭代器发生了野指针问题)。在VS环境下，会用断言暴力检查出来的。在Linux环境下，检查不出来这种情况，甚至对原来的it仍然可读可写。

ok，那我们在扩容时更新一下pos：

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

(2)另一种场景

	void test_vector1()
	{
		// 在所有的偶数的前面插入2
		vector<int> v;
		//v.reserve(10);
		v.push_back(1);
		v.push_back(2);
		v.push_back(3);
		v.push_back(4);
		v.push_back(5);
		v.push_back(6);
		vector<int>::iterator it = v.begin();
		while (it != v.end())
		{
			if (*it % 2 == 0)
			{
				it = v.insert(it, 20);
				++it;
			}
			++it;
		}
		for (auto e : v)
		{
			cout << e << " ";
		}
		cout << endl;
	}
}

运行结果

导致断言错误的原因是啥？为什么不能在2的前面插入20？

同样的道理，虽然我们修正了pos，但是我们是值传递，形参不会改变实参。所以it仍然是野指针。在VS环境下，会用断言暴力检查出来的。在Linux环境下，检查不出来这种情况，甚至对原来的it仍然可读可写。

有小伙伴就会说了，传引用不就行了吗？

我们是不会用引用的，官方库也没有用引用。因为我要传的是像v.begin()这样的临时对象怎么办。

更悲伤的是就算我提前把空间给你开好，保证插入时不需要扩容还是会出现问题。因为insert是在2之前插入20，++it后it仍指向2，这样就导致不断地在2之前插入20。这也是迭代器失效的一种场景。

修正后的代码:

用返回值解决，官方库里返回的是指向新插入的第一个元素的迭代器。 那我们也这样返回。

iterator insert(iterator pos, const T& x)
{
	// 检查参数
	assert(pos >= _start && pos <= _finish);
	// 扩容
	// 扩容以后pos就失效了,需要更新一下
	if (_finish == _endofstorage)
	{
		size_t n = pos - _start;
		size_t newCapacity = capacity() == 0 ? 4 : capacity() * 2;
		reserve(newCapacity);
		pos = _start + n;
	}
	// 挪动数据
	iterator end = _finish - 1;
	while (end >= pos)
	{
		*(end + 1) = *end;
		--end;
	}
	*pos = x;
	++_finish;
	return pos;
}

此时我们这样使用就行：

while (it != v.end())
{
    if(*it % 2 == 0)
    {
        // 返回新插入的第一个元素的迭代器
        it = v.insert(it, 20);
        //还是指向2
        ++it;
    }
    // 指向2的后一位
    ++it;
}

运行结果

2.6 erase

一般vector删除数据，都不考虑缩容的方案。

缩容方案：size() < capacity()/2时，可以考虑开一个size()大小的空间，拷贝数据，释放旧空间。

缩容方案本质是时间换空间。一般设计都不会考虑缩容，因为实际比较关注时间效率，不关注空间效率，因为现在硬件设备空间都比较大，空间存储也比较便宜。

我们这里不考虑缩容方案。

erase返回最后一个被释放元素的后一个元素的新位置。

iterator erase(iterator pos)
{
	assert(pos >= _start && pos < _finish);
	iterator it = pos + 1;
	while (it != _finish)
	{
		*(it - 1) = *it;
		++it;
	}
	//erase最后一个数据，则pos==_finish，pos真失效了，但仍然属于这个容器
	--_finish;
	return pos;
}

VS中的vector也没有考虑缩容方案，但是它对pos(如果缩容，pos就是野指针)进行了断言检查，不允许访问和写入。

(1)erase迭代器的失效都是意义变了，或者不在有效访问数据的范围。

(2)一般不会使用缩容的方案，那么erase的失效，一般也不存在野指针的失效。

erase(pos)以后pos失效了，pos的意义变了，但是不同平台下面对访问pos的反应不一样。VS会强制检查，Linux则没有严格的检查机制。我们用的时候一定要小心，统一以失效角度去看待。

erase迭代器意义变了的场景(假设我们要删除容器中的偶数)：

2.7 构造函数的匹配问题

迭代器区间的构造函数的参数要求是同类型的，而第一个构造函数的第一个参数是size_t，int会涉及隐式类型转换。所以参数为(10,2)的会匹配迭代器区间的构造函数，而参数为(10, ‘x’)的会匹配第一个构造函数。

这里就会导致int类型被当作迭代器解引用，本质上是发生了构造函数的错配问题。

解决方法：

源码是通过再写一个第一个参数为int类型的构造函数来解决的。

vector(int n, const T& val = T())
			: _start(nullptr)
			, _finish(nullptr)
			, _endofstoage(nullptr)
		{
			reserve(n);
			for (int i = 0; i < n; ++i)
			{
				push_back(val);
			}
		}

3. 更深层次的深浅拷贝问题

以杨辉三角为例：

class Solution {
public:
    vector<vector<int>> generate(int numRows) {
    vector<vector<int>> vv;
    // 先开辟杨辉三角的空间
    vv.resize(numRows);
    //初始化每一行
    for(size_t i = 0; i < numRows; ++i)
    {
        //每行个数依次递增
        vv[i].resize(i+1, 0);
        // 每一行的第一个和最后一个都是1
        vv[i][0] = 1;
        vv[i][vv[i].size()-1] = 1;
    }
    for(size_t i = 0; i < vv.size(); ++i)
    {
        for(size_t j = 0; j < vv[i].size(); ++j)
        {
            if(vv[i][j] == 0)
            {
                //之间位置等于上一行j-1和j个相加
                vv[i][j] = vv[i-1][j-1] + vv[i-1][j];
            }
        }
    }
    return vv;
    }
};

我们自己写的vector去跑这里的杨辉三角会出现问题。

void test_vector2()
{
	vector<vector<int>> ret = Solution().generate(5);
	for (size_t i = 0; i < ret.size(); ++i)
	{
		for (size_t j = 0; j < ret[i].size(); ++j)
		{
			cout << ret[i][j] << " ";
		}
		cout << endl;
	}
	cout << endl;
}

为了方便大家理解，我们把扩容的代码拿下来。

void reserve(size_t n)
{
    // 记录size
    size_t sz = size();
    if(n > capacity())
    {
        T* tmp = new T[n];
        if(_start)
        {
            memcpy(tmp, _start, size()*sizeof(T));
        	delete[] _start;
        }
        _start = tmp; // 注意,这里start位置变了
    }
    // 更新_finish、_endofstorage
    _finish = _start + sz;  
    _endofstorage = _start + n;
}

vector<vector<int>> ret = Solution().generate(5);会去调用拷贝构造，拷贝构造又去调用了迭代器的区间构造函数，迭代器区间构造函数又去调用了push_back，push_back又去调用了reserve。

因为push_back我们第一次开的空间是4，所以前4次的push_back都不会有问题，第5次push_back去调用reserve时就会出现问题。

因为扩容的时候tmp会把前4组的vector<int>数据memcpy下来，而memcpy是浅拷贝，拷贝下来的数据和原来的数据指向的是同一块空间。关键是memcpy后又delete了旧空间，导致插入第5个vector<int>时前4组的数据被释放了，成了野指针。

解决方法:

拷贝的时候不要用memcpy，使用拷贝赋值函数来完成，因为赋值函数会帮我们完成深拷贝。

void reserve(size_t n)
{
    // 记录size
    size_t sz = size();
    if(n > capacity())
    {
        T* tmp = new T[n];
        if(_start)
        {
            //防止浅拷贝问题3
           for (size_t i = 0; i < size(); ++i)
			{
				tmp[i] = _start[i];
			}
        	delete[] _start;
        }
        _start = tmp; // 注意,这里start位置变了
    }
    // 更新_finish、_endofstorage
    _finish = _start + sz;  
    _endofstorage = _start + n;
}

到此这篇关于C++超详细讲解模拟实现vector的文章就介绍到这了,更多相关C++ vector内容请搜索自由互联以前的文章或继续浏览下面的相关文章希望大家以后多多支持自由互联！