C++模拟实现vector

原创已于 2022-08-18 12:49:46 修改

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#c++ #算法 #数据结构

于 2022-08-18 12:46:50 首次发布

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一、迭代器

定义

vector类型的迭代器就是原生态的指针，对T*进行重命名即可

typedef T* iterator;
typedef const T* const_iterator;

普通迭代器

iterator begin()
{
	return start;
}
iterator end()
{
	return finish;
}

const类型迭代器

const类型迭代器可以访问const成员变量

const iterator cbegin()const
{
	return start;
}
const iterator cend()const
{
	return finish;
}

二、构造类

构造函数

构造空对象

在初始化列表中对三个成员变量进行初始化

vector()
	:start(nullptr)
	, finish(nullptr)
	, endOfStorage(nullptr)
{}

n个T类型

开辟空间以后，对finish进行自增，在空间填充元素

vector(size_t n, const T& value = T())
	:start(new T[n])
	, finish(start)
	, endOfStorage(start + n)
{
	for (int i = 0; i < n; i++)
	{
		*finish++ = value;
	}
}

重载前一个构造函数，将第一个参数设置为int类型

vector(int n, const T& value = T())
	:start(new T[n])
	, finish(start)
	, endOfStorage(start + n)
{
	for (int i = 0; i < n; i++)
	{
		*finish++ = value;
	}
}

之所以要对这种类型的构造函数进行重载，是因为在调用构造函数时，如果实参传两个整型数字，编译器会默认为int类型数据，进行推演之后与前面的size_t类型不匹配，则会调用下面的区间构造的方法，导致程序报错，如图：
在这里插入图片描述

迭代器构造

将构造方法中迭代器的类型写成模板类型，这样便可以接收其它类型的迭代器，如：T类型为char，Iterator迭代器为string类型，便可以从字符串中截取字符，构造vector<char>类型的对象。

//写成函数模板，可以接受任意类型的迭代器
template<typename Iterator>
vector(Iterator first, Iterator last)
{
	size_t n = ZH::distance(first, last);//获取长度
	start = new T[n];
	finish = start;
	endOfStorage = start + n;
	while (first != last){
		*finish = *first;
		first++;
		finish++;//完成赋值的同时也移动了finish的位置
	}
}

将distance方法写到另一个.hpp头文件中

template<typename Iterator>
//此处的Iterator是模板参数，表示可以传任意类型的迭代器
size_t distance(Iterator first, Iterator last)
{
	//获取元素个数，暂时只考虑底层空间连续的情况
	int count = 0;
	while (first != last)
	{
		first++;
		count++;
	}
	return count;
}

拷贝构造函数

拷贝构造函数的形参必须是const类对象的引用，必须使用const类型的迭代器才能访问，复用迭代器构造的方法定义一个临时变量temp，交换temp与当前对象

//此处拷贝构造函数的形参是const类型
vector(const vector<T>& v)
	:start(nullptr)
	, finish(nullptr)
	, endOfStorage(nullptr)
{
	//▲用const类型的迭代器访问const变量
	vector<T> temp(v.cbegin(), v.cend());
	this->swap(temp);
}

赋值运算符重载

形参设置为类类型对象，调用赋值运算符重载函数时，形参会拷贝实参，交换当前对象与形参的值。

vector<T>& operator=(const vector<T> v)
{
	this->swap(v);
	return *this;
}

析构函数

释放空间，将三个迭代器赋值为空

~vector()
{
	delete[]start;
	start = nullptr;
	finish = nullptr;
	endOfStorage = nullptr;
}

三、容量相关操作

size、capacity

size_t size()
{
	return finish - start;
}
size_t capacity()
{
	return endOfStorage - start;
}

empty

判断fiinsh与start是否相等即可，相等则为空

size_t empty()
{
	return finish == start;
}

resize

定义一个变量保存旧的size的值‘判断是减小还是增加size；判断是否需要扩容，需要则调用reserve函数，从旧空间的结束位置开始，给新增加的空间填充元素；最后改变finish的值。

void resize(size_t newsize, const T& value = T())
{
	size_t oldsize = size();
	if (newsize > oldsize){
		if (newsize > capacity()){
			reserve(newsize);
		}
		for (size_t i = oldsize; i < newsize; i++)
		{
			start[i] = value;
		}
	}
	finish = start + newsize;//不用考虑增加或减小
}

⭐reserve

reserve的步骤：申请新空间，拷贝旧空间的元素，释放旧的空间。

void reserve(size_t newcapacity)
{
	size_t oldcapacity = capacity();
	if (newcapacity > oldcapacity)
	{
		size_t n = size();//保存size()的值
		T* temp = new T[newcapacity];
		//start不为空时才进行拷贝旧空间元素和释放的操作
		if (start)
		{
			//memcpy浅拷贝，当vector中存放的对象内部设计资源管理
			// 会有内存泄漏和野指针问题
			//memcpy(temp, start, sizeof(T) * n);

			for (size_t i = 0; i < n; i++)
			{
				temp[i] = start[i];//调用赋值运算符重载
			}
			delete[] start;
		}
		start = temp;
		//▲此处不能用satart+size(),因为size方法中有finish-start,而start值已经改变
		finish = start + n;
		endOfStorage = start + newcapacity;
	}
}

▲易错点：

判断start的值是否为空，如果原来的start为空，则不需要再拷贝元素和释放
浅拷贝问题
finish更新问题

size()的方法内部finish-start，而此时start已经发生改变，finish还是旧的，所以要提前定义一个临时变量保存size()的值

三、元素访问

[ ]重载

重载成普通类型和const类型，const类型可以访问const成员

T& operator[](size_t index)
{
	assert(index < size());
	return start[index];
}

const T& operator[](size_t index)const
{
	assert(index < size());
	return start[index];
}

front

返回动态数组第一个元素

T& front()
{
	return start[0];
}
const T& front()const
{
	return start[0];
}

back

返回最后一个位置前一个元素

T& back()
{
	return *(finish - 1);
}
const T& back()const
{
	return *(finish - 1);
}

四、修改类接口

push_back

插入前先判断空间是否已满，空间若满则进行扩容，扩容时，要原来的空间容量为0的情况；将value放置到末尾位置，并将finish向后移动一个单位

void push_back(const T& value)
{
	if (finish == endOfStorage)
	{
		//因为原来的capacity可能为0,所以要+3
		reserve(capacity() * 2 + 3);
	}
	*finish++ = value;
}

pop_back

尾删，先判断对象是否为空，若不为空则将finish位置前移一个单位

void pop_back()
{
	if (empty())
	{
		return;
	}
	finish--;
}

insert

任意位置插入，insert的返回值为新插入的第一个元素位置的迭代器；因为插入可能会进行扩容，导致start的值改变，所以先定义一个变量保存pos与start的相对位置；判断是否需要扩容；从插入位置开始，将所有元素向后搬移一个位置；将pos位置的值置为要插入的值；更新finish的值。

//第二个参数用const修饰，常量引用
//不用const修饰则为非常量引用
iterator insert(iterator pos, const T& value)
{
	int index = pos - start;
	assert(pos >= start && pos < finish);
	//判断空间是否足够
	if (finish == endOfStorage)
	{
		reserve(capacity() * 2);
	}
	pos = start + index;
	for (auto it = finish; it > pos; it--)
	{
		*it = *(it - 1);
	}
	*pos = value;
	finish++;
	return pos;
}

erase

判断下标合法性；从pos位置下一个位置开始，将所有元素向前搬移一个位置；更新finish的值

iterator erase(iterator pos)
{
	assert(pos >= start && pos < finish);

	auto it = pos;
	while (it < finish - 1)
	{
		*it = *(it + 1);
		it++;
	}
	finish--;
	return pos;
}

clear

清空所有元素，令finish=start即可

void clear()
{
	finish = start;
}

swap

vector内置的swap函数，调用标准库中的swap交换vector的三个成员变量的值

void swap(vector<T>& v)
{
	std::swap(start, v.start);
	std::swap(finish, v.finish);
	std::swap(endOfStorage, v.endOfStorage);
}

五、成员变量

private:
	iterator start;
	iterator finish;
	iterator endOfStorage;

vector内部有三个成员变量，start表示起始位置，finish表示有效元素的末尾位置，endOfStorage表示空间的末尾位置；通过这三个成员变量可以得到size和capacity等值，如图：
在这里插入图片描述