vector类及模拟实现

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#c++ #开发语言

目录

一.vector的使用

vector的构造函数

vector有关容量的函数

 vector的增删查改

动态二维数组的使用 

二.迭代器失效 （重点）

对于vector可能导致迭代器失效的操作有：

改变其底层空间的操作都有可能

  指定位置元素的删除操作--erase

 三.vector类的模拟实现

Vector 是 C++ STL 中最常用的容器之一，而使用STL的三个境界：第一境界是熟用，第二境界是了解泛型技术的内涵与STL的学理乃至实作，第三境界是能扩展STL。那么接下来我们学习vector也需要按照这种方法学习。

一.vector的使用

vector的构造函数

vector的构造函数有很多，但我们只要会我们常用的就可以了。

构造函数声明接口说明
vector()（重点）无参构造
vector（size_type n, const value_type& val =value_type()）构造并初始化n个val
vector (const vector& x); （重点）拷贝构造
vector (InputIterator first, InputIterator last);使用迭代器进行初始化构

代码演示：

#include<iostream>
#include<vector>
using namespace std;
int main()
{
	vector<int>v1;//无参构造
	vector<int>v2(5, 1);//构造并初始化5个1
	for (auto& s : v2)
	{
		cout << s;
	}
	cout << endl;
	vector<int>v3(v2);//拷贝构造
	for (auto& s : v3)
	{
		cout << s;
	}
	cout << endl;
	vector<int>v4(v2.begin(), v2.end());//使用迭代器
	for (auto& s : v4)
	{
		cout << s;
	}
	cout << endl;
    return 0;
}

vector有关容量的函数

容量空间接口说明
size_t size( ) const;获取数据个数
size_t capacity() const;获取空间容量大小
bool empty() const;判空
void resize(size_t n,value_type val=value_type())改变vector的size
void reserve(size_t n);改变vector的capacity

代码演示：

#include<iostream>
#include<vector>
using namespace std;
int main1()
{
	vector<int>v2(5, 1);//构造并初始化5个1
	for (auto& s : v2)
	{
		cout << s;
	}
	cout << endl;
	cout << v2.size() << endl;
	cout << v2.capacity() << endl;
	cout << v2.empty() << endl;
	v2.resize(16, 2);
	cout << v2.capacity() << endl;
	for (auto& s : v2)
	{
		cout << s;
	}
	cout << endl;
	v2.reserve(45);
	cout << v2.capacity() << endl;
	return 0;
}

注意：以下这段测试vector的默认扩容机制代码在vs在g++下运行结果是不同的，以前我们常说扩容是按两倍扩的，但是在vector中vs下capacity是按1.5倍增长的，g++是按2倍增长的，所以我们不要固定化认为扩容都是两倍增长，具体增长多少也是根据具体需求定义的。

void TestVectorExpand()
{
	size_t sz;
	vector<int> v;
	sz = v.capacity();
	cout << "making v grow:\n";
	for (int i = 0; i < 100; ++i)
	{
		v.push_back(i);
		if (sz != v.capacity())
		{
			sz = v.capacity();
			cout << "capacity changed: " << sz << '\n';
		}
	}
}

reserve只负责开辟空间，如果知道需要多少空间，可以可以提前将空间设置足够， 就可以避免边插入边扩容导致效率低下的问题了。

resize再开空间的同时也会初始化，影响到size。

 vector的增删查改

 vector的增删查改接口说明
void push_back(size_t val);尾插
void pop_back();尾删

InputIterator find(InputIterator first,InputIterator last,const T&val);

查找。(不是vector的成员接口，而是通过算法模块实现的）
void insert(InputIterator pos,size_t val);在pos之前插入
InputIterator erase(InputIterator pos);删除pos位置的数据
swap交换两个vector数据空间
operator[]像数组一样访问

代码演示：

int main()
{
	vector<int>v;
	v.push_back(1);
	v.push_back(2);
	v.push_back(3);
	v.push_back(4);//vector<int> v{1,2,3,4};
	for (auto& s : v)
	{
		cout << s<<' ';
	}
	cout << endl;
	auto ret = find(v.begin(),v.end(), 3);
	v.insert(ret, 89);
	auto it = v.begin();
	while (it != v.end())
	{
		cout << *it<<' ';
		it++;
	}
	cout << endl;
	v.pop_back();
	//v.erase(ret);
	auto pos = find(v.begin(), v.end(), 89);
	// 删除pos位置的数据
	v.erase(pos);
	for (auto& s : v)
	{
		cout << s << ' ';
	}
	cout << endl;
	vector<int>v1;
	v1.swap(v);
	for (auto& s : v1)
	{
		cout << s << ' ';
	}
	cout << endl;
	for (int i = 0; i < v1.size(); i++)
	{
		cout << v1[i] << ' ';
	}
	cout << endl;
	return 0;
}

动态二维数组的使用 

了解vector类的成员变量：T*_start(指向开头的指针），T*_finish(指向元素结尾的下一个的指针），T*_end_of_storage(指向容量大小的下一个的指针）。

vector<T>实际上是顺序表，顺序表底层是数组。 那么vector<vector<T>>就相当于二维数组。

可以用C++写一下杨辉三角：杨辉三角 

二.迭代器失效 （重点）

迭代器底层是一个指针，迭代器失效其实是指迭代器对应指针所指向的空间被销毁了，而使用一块已经被释放的空间，会导致程序崩溃。

对于vector可能导致迭代器失效的操作有：

改变其底层空间的操作都有可能

比如：resize，reserve，insert，assgin、push_back.

v.resize(100, 8)：将有效元素个数增加到100个，多出的位置使用8填充，操作期间底层会扩容；
v.reserve(100）：reserve的作用就是改变扩容大小但不改变有效元素个数，操作期间可能会引起底层容量改变;
v.insert(v.begin(), 0)/ v.push_back(8)：插入元素期间，可能会引起扩容，而导致原空间被释放
v.assgin(100，8): 给vector重新赋值，可能会引起底层容量改变

就比如：

int main()
{
	vector<int>v{ 1,2,3,4 };
	auto it = v.begin();
	v.insert(it, 54);
	while (it != v.end())
	{
		cout << *it << ' ';
		it++;
	}
	cout << endl;
}

运行结果为：

程序崩溃。

insert会导致vector扩容，vector底层原理的旧空间被释放掉了，但是it还指向着那块被释放旧空间，所以在it迭代器操作时，访问了一块被释放的空间，所以程序崩溃。

解决方法为：更新迭代器（重新给it赋值）。

 

  指定位置元素的删除操作--erase

试着判断一下下面这段代码是否能运行成功呢？

int main()
{
int a[] = { 1, 2, 3, 4 };
vector<int> v(a, a + sizeof(a) / sizeof(int));
// 使用find查找3所在位置的iterator
vector<int>::iterator pos = find(v.begin(), v.end(), 3);
v.erase(pos);
cout << *pos << endl; 
return 0;
}

答案当然是不能了，为什么呢？迭代器pos被删除了，会导致编译器失效。就像如果pos刚好是最后一个元素，删完之后pos刚好是end位置，而end位置没有元素，所以pos迭代器已经被删除，打印*pos就是非法访问。

练习：

删除偶数

int main()
{
vector<int> v{ 1, 2, 3, 4 };
auto it = v.begin();
while (it != v.end())
{
if (*it % 2 == 0)
v.erase(it);
++it;
}
   
return 0;
}

判断一下代码是否能运行成功？并思考如果更改才能得到想要的结果。

答案是运行不成功的，因为erase删除了迭代器it，导致迭代器失效，已经失效的迭代器不能进行++，所以会导致程序崩溃。所以我们要怎么做呢？有同学说上面的代码也有问题，如果erase会把后面的数据往前面挪，那么再++会检查不到被删数据后面的一个数据。这是一个问题，但是改正后它还是出错，而且我们还没有更新迭代器。

int main()
{
	vector<int> v{ 1, 2, 3, 4 };
	auto it = v.begin();
	while (it != v.end())
	{
		if (*it % 2 == 0)
		{

			it=v.erase(it);//erase的返回值是被删迭代器的下一个迭代器
		}
		else
		++it;
	}
	return 0;
}

Linux下，g++对迭代器失效检查并不是特别严格。迭代器失效g++不一定会崩溃，只是运行结果不对，但是越界一定会崩溃。

 string类也和vector一样，对扩容操作和erase会导致迭代器失效，但都可以通过更新迭代器来解决。

 三.vector类的模拟实现

vector是向量类型，它可以容纳许多类型的数据，所以我们需要运用到模板。

vector.h

namespace slm
{
	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 _end_of_storage - _start;
		}
		vector()
		{}
		~vector()
		{
			delete[]_start;
			_start = _finish = _end_of_storage = nullptr;
		}
		//v1(v2)
		vector(const vector<T>&v)
		{
			reserve(v.size());
			for (auto& e : v)
			{
				push_back(e);
			}
		}
		void swap(vector<T>& v)
		{
			std::swap(v._start, _start);
			std::swap(v._finish, _finish);
			std::swap(v._end_of_storage, _end_of_storage);
		}
		vector<T>& operator=(vector<T> v)
		{
			swap(v);
			return *this;
		}
		void resize(size_t n, const T& val = T())//T()为匿名对象
		{
			if (n < size())
			{
				_finish = _start + n;
			}
			else//大于或等于
			{
				reserve(n);
				while (_finish != _start + n)
				{
					*_finish = val;
					_finish++;
				}
			}
		}
		void reserve(size_t n)
		{
			if (n > capacity())
			{
				size_t oldsize = size();
				T* tmp = new T[n];
				//memcpy(tmp,_start,sizeof(T)*oldsize);
//memcpy是内存的二进制格式拷贝，将一段内存空间中内容原封不动的拷贝到另一段内存空间中。
//如果拷贝的是内置类型的元素，memcpy及高效也不会出错，
//但如果是自定义类型元素，并且自定义类型中涉及到资源管理时就会出错，
//因为memcpy的拷贝是浅拷贝。
				for (size_t i = 0; i < oldsize; i++)
				{
					tmp[i] = _start[i];
				}
				delete[]_start;
				_start = tmp;
				_finish = _start + oldsize;
				_end_of_storage = _start + n;
			}
		}
		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 push_back(const T& x)
		{
			if (_finish  == _end_of_storage)
			{
				reserve(capacity() == 0 ? 4 : 2 * capacity());
			}
			*_finish = x;
			_finish++;
		}
		void pop_back()
		{
			assert(_finish > _start);
			_finish--;
		}
		void insert(iterator pos, const T& x)
		{
			//assert(pos-_start<size())//编译报错：有符号/无符号不匹配
			assert(pos<=_finish);
			assert(pos >= _start);
			//扩容会导致迭代器失效
			if (_finish == _end_of_storage)
			{
				size_t len = pos - _start;
				reserve(capacity() == 0 ? 4 : 2 * capacity());
				pos = _start + len;
			}
			iterator it = _finish - 1;
			while (it >= pos)
			{
				*(it + 1) = *it;
				it--;
			}
			_finish++;
			*pos = x;
		}
		iterator erase(iterator pos)
		{
			assert(pos <= _finish);
			assert(pos >= _start);
			iterator it = pos+1;
			while (it <= _finish)
			{
				*(it - 1) = *it;
				it++;
			}
			_finish--;
			return pos;
		}
	private:
		iterator _start=nullptr;
		iterator _finish=nullptr;
		iterator _end_of_storage=nullptr;
	};
}

test.cpp

namespace slm
{
	void test_vector()
	{
		vector<int> v1;
		v1.push_back(1);
		v1.push_back(2);
		v1.push_back(3);
		v1.push_back(4);
		for (auto& e : v1)
		{
			std::cout << e << ' ';
		}
		std::cout << std::endl;
		//测试size
		std::cout << v1.size() << std::endl;
		//测试capacity
		std::cout << v1.capacity() << std::endl;
		//测试resize
		v1.resize(6, 8);
		for (size_t i = 0; i < v1.size(); i++)
		{
			std::cout << v1[i] << ' ';
		}
		std::cout << std::endl;
		v1.resize(4, 9);
		for (size_t i = 0; i < v1.size(); i++)
		{
			std::cout << v1[i] << ' ';
		}
		std::cout << std::endl;
		//测试拷贝构造函数
		vector<int>v2(v1);
		for (auto& e : v2)
		{
			std::cout << e << ' ';
		}
		std::cout << std::endl;
		vector<int> v3;
		v3.push_back(5);
		v3.push_back(5);
		v3.push_back(5);
		v3.push_back(5);
		v3.push_back(5);
		v2 = v3;
		for (auto& e : v2)
		{
			std::cout << e << ' ';
		}
		std::cout << std::endl;
		v2.pop_back();
		for (auto& e : v2)
		{
			std::cout << e << ' ';
		}
		std::cout << std::endl;
		//测试insert
		v2.insert(v2.begin() + 2, 9);
		for (auto& e : v2)
		{
			std::cout << e << ' ';
		}
		std::cout << std::endl;
		v2.insert(v2.begin(), 6);
		for (auto& e : v2)
		{
			std::cout << e << ' ';
		}
		std::cout << std::endl;
		v2.insert(v2.end(), 7);
		for (auto& e : v2)
		{
			std::cout << e << ' ';
		}
		std::cout << std::endl;
		//测试erase
		v2.erase(v2.end());
		v2.erase(v2.begin());
		v2.erase(v2.begin() + 2);
		for (auto& e : v2)
		{
			std::cout << e << ' ';
		}
		std::cout << std::endl;
	}
}

int main()
{
	slm::test_vector();
	return 0;
}

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