C++必修：STL之vector的模拟实现

✨✨ 欢迎大家来到贝蒂大讲堂✨✨

🎈🎈养成好习惯，先赞后看哦~🎈🎈

所属专栏：C++学习
贝蒂的主页：Betty’s blog

为了让我们更加深入理解vector，接下来我们将模拟实现一个·简易版的vector。而为了和STL库中的vecotr以示区分，我们将使用命名空间namespace对其封装。

1. vector的成员变量

vector的底层其实就是我们之前在数据结构学习的顺序表，但是与顺序表不同的是vector的成员变量是三个迭代器，也可以说是三个指针。

下面是vector的成员变量：

namespace betty  { 	template<class T> 	class vector      { 	public:     //... 	private: 		iterator _start; 		iterator _finish; 		iterator _end_of_storage; 	}; } 

其中start指向起始位置，_finish指向有效数据末尾的后一个位置，最后_end_of_storage指向容量大小末尾的后一个位置。

2. vector的成员函数

在知道vector的成员变量之后，接下来我们将探究vector的成员函数，而常见成员函数的用法我们早在之前就已经介绍过了 ，下面我们将来具体实现一下：

2.1. vector的迭代器

首先我们来模拟实现一下迭代器iterator，而在vector中迭代器iterator与string中的迭代器类似就是一个指针。所以我们直接使用typedef实现

typedef char* iterator;//普通迭代器 typedef const char* const_iterator;//const迭代器 

接下来我们来实现begin()与end()，其中begin()指向的是数组的起始位置即_start，而end指向有效长度最后的下一位即_finish的位置。

iterator begin() { 	return _start; }  iterator end() { 	return _finish; } 

实现完普通迭代器之后，我们可以顺便重载一个const_iterator的版本。

const_iterator begin()  const { 	return _start; }  const_iterator end()	const { 	return _finish; } 

我们知道在vector中还有一个反向迭代器，这个我们在之后会统一实现。

2.2. vector的初始化与销毁

2.2.1. 构造函数与拷贝构造

我们之前在学习vector时知道其初始化方式有很多，可以通过默认构造函数给其初始化，n个val初始化，也可以通过迭代器初始化。

首先我们写一个默认构造函数，将其所有变量都设为空。

vector()     :_start(nullptr)     ,_finish(nullptr)     ,_end_of_storage(nullptr) {     ; } 

接下来我们来实现迭代器初始化，而因为我们可以通过其他容器的迭代器对其初始化，所以要通过模版来实现。

template<class InputIterator> vector(InputIterator first, InputIterator last) {     while (first != last)     {         push_back(*first);         ++first;     } } 

最后我们来实现n个val初始化。

vector(size_t n, const T& val = T()) {     resize(n, val); } vector(int n, const T& val = T()) {     resize(n, val); } 

至于为什么要同时重载int与size_t两种不同类型，那是为了防止在传两个int类型的参数时被编译器交给模版InputIterator识别，然后报错。

拷贝构造也十分简单，直接拷贝就行，但是也有一些注意事项。

vector(const vector<T>& v) {     _start = new T[v.capacity()];//开辟capacity的空间     for (size_t i = 0; i < v.size(); ++i)     {         _start[i] = v._start[i];//进行深拷贝     }     _finish = _start + v.size();//更新_finish     _end_of_storage = _start + v.capacity();//更新_end_of_storage } 

这里注意不能利用memcpy()等库函数进行拷贝，因为这些函数都是进行的浅拷贝。如果模版参数T是string，vector等自定义类型，当程序结束回收内存时就会发生内存错误。

当然我们也可以通过一个取巧的方式来实现拷贝构造。

vector(vector<int>& v) {     // 根据v的capacity()去开出对应的空间     reserve(v.capacity());     //进行深拷贝     for (size_t i = 0; i < v.size(); i++)     {         push_back(v[i]);     } } 

首先通过构造出一个与数组相同的数组v，然后让this所指向的数组与其交换，这样出了作用域之后销毁的就是原this所指向的数组。当然我们必须先将this所指向的数组先初始化扩容。

2.2.2. 赋值重载与析构函数

赋值运算符重载与拷贝构造的实现就非常类似了，直接实现即可。

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

最后我们实现析构函数，只需要清理资源即可

~vector() {     delete[]_start;     _start = _finish = _end_of_storage = nullptr; } 

2.3. vector的容量操作

2.3.1. 有效长度与容量大小

首先我们先实现返回数组有效长度的size() 与容量大小的capacity()。并且为了适配const对象，最后用const修饰this指针。

size_t size() const {     return _finish - _start; } size_t capacity() const {     return _end_of_storage - _start; } 

2.3.2. 容量操作

接下来我们来实现扩容函数reserve()与·resize()，其中reserve()最简单，只要新容量大于旧容量就发生扩容，其中注意需要提前记录size大小，防止数组异地扩容原数组释放之后找不到原数组大小。

void reserve(size_t n) {     //提前原本记录长度     size_t sz = size();     if (n > capacity())     {         T* tmp = new T[n];         if (_start)         {             //深拷贝             for (size_t i = 0; i < size(); i++)             {                 tmp[i] = _start[i];//赋值重载             }             delete[]_start;         }         _start = tmp;         _finish = _start + sz;         _end_of_storage = _start + n;     } } 

而resize()的逻辑就比较复杂，需要分三种情况讨论。设字符串原来有效长度为size，容量为capacity，新容量为n

1. 当n<size时，resize会删除有效字符到指定大小。
2. 当size<n<capcity时，resize会补充有效字符(默认为0)到指定大小。
3. 当n>capacity时，resize会补充有效字符(默认为0)到指定大小。

void resize(size_t n,const T&val=T()) {     if (n < size())     {         //更新数组大小         _finish = _start + n;     }     else     {         //扩容         reserve(n);         while (_finish != _start + n)         {             *_finish = val;             ++_finish;         }     } } 

2.4. vector的访问操作

为了符合我们C语言访问数组的习惯，我们可以先重载operator[]。当然我们也要提供两种不同的接口：可读可写与可读不可写。并且使用引用返回，减少不必要的拷贝。

// 可读可写 T& operator[](size_t pos) {     assert(pos < size());     return _start[pos]; } // 可读不可写 T& operator[](size_t pos)const {     assert(pos < size());     return _start[pos]; } 

同理我们也可以实现front()与back()函数。

// 可读可写 char& front() { 	return _start[0]; } char& back() { 	return _start[_size() - 1]; } // 可读不可写 const char& front()const { 	return _start[0]; } const char& back()const { 	return _start[_size() - 1]; } 

2.5. vector的修改操作

2.5.1. 常见的修改操作

首先我们将实现两个常用的修改函数：push_back()与pop_back()。

void push_back(const T& x) {     //判断是否扩容     if (_finish == _end_of_storage)     {         size_t newCapacity = capacity() == 0 ? 4 : 2 * capacity();         reserve(newCapacity);     }     *_finish = x;     ++_finish; } void pop_back() {     --_finish; } 

随后我们来实现数组的交换swap()函数，我们知道vector的交换其实就是指针_start，_finish，_end_of_storage的交换。

void swap(vector<T>& v) {     std::swap(_start, v._start);     std::swap(_finish, v._finish);     std::swap(_end_of_storage, v._end_of_storage); } 

2.5.2. 迭代器失效

接下来我们实现insert()与erase()两个函数。其中insert()在插入时可能扩容，这时就需要记录起始长度，方便更新迭代器返回。

iterator insert(iterator pos, const T& x) {     assert(pos <= _finish && pos >= _start);     //检查是否扩容     if (_finish == _end_of_storage)     {         //先记录长度         size_t len = pos - _start;         size_t newCapacity = capacity() == 0 ? 4 : capacity() * 2;         reserve(newCapacity);         //更新迭代器指向新空间         pos = _start + len;     }     //往后覆盖     iterator end = _finish;     while (end > pos)     {         *end = *(end - 1);         --end;     }     *pos = x;     ++_finish;     return pos; } 

同样的为了防止迭代器失效，需要返回新的迭代器。

iterator erase(iterator pos) {     assert(pos >= _start && pos < _finish);     iterator end = pos + 1;     while (end != _finish)     {         *(end - 1) = *end;         ++end;     }     --_finish;     return pos; } 

3. 源码

#pragma once namespace betty { 	template<class T> 	class vector 	{ 	public: 		typedef T* iterator; 		typedef const T* const_iterator; 		vector() 			:_start(nullptr) 			,_finish(nullptr) 			,_end_of_storage(nullptr) 		{ 			; 		} 		vector(size_t n, const T& val = T()) 		{ 			resize(n, val); 		} 		vector(int n, const T& val = T()) 		{ 			resize(n, val); 		} 		template<class InputIterator> 		vector(InputIterator first, InputIterator last) 		{ 			while (first != last) 			{ 				push_back(*first); 				++first; 			} 		} 		//vector(const vector<T>& v) 		//{ 		//	_start = new T[v.capacity()];//开辟capacity的空间 		//	for (size_t i = 0; i < v.size(); ++i) 		//	{ 		//		_start[i] = v._start[i];//循环拷贝 		//	} 		//	_finish = _start + v.size();//更新_finish 		//	_end_of_storage = _start + v.capacity();//更新_end_of_storage 		//} 		vector(vector<int>& v) 		{ 			// 根据v的capacity()去开出对应的空间 			reserve(v.capacity()); 			//进行深拷贝 			for (size_t i = 0; i < v.size(); i++) 			{ 				push_back(v[i]); 			} 		} 		vector<T> operator=(vector<T> v) 		{ 			swap(v); 			return *this; 		} 		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; 		} 		void reserve(size_t n) 		{ 			//提前原本记录长度 			size_t sz = size(); 			if (n > capacity()) 			{ 				T* tmp = new T[n]; 				if (_start) 				{ 					//深拷贝 					for (size_t i = 0; i < size(); i++) 					{ 						tmp[i] = _start[i];//赋值重载 					} 					delete[]_start; 				} 				_start = tmp; 				_finish = _start + sz; 				_end_of_storage = _start + n; 			} 		} 		void push_back(const T& x) 		{ 			//判断是否扩容 			if (_finish == _end_of_storage) 			{ 				size_t newCapacity = capacity() == 0 ? 4 : 2 * capacity(); 				reserve(newCapacity); 			} 			*_finish = x; 			++_finish; 		} 		void resize(size_t n,const T&val=T()) 		{ 			if (n < size()) 			{ 				_finish = _start + n; 			} 			else 			{ 				reserve(n); 				while (_finish != _start + n) 				{ 					*_finish = val; 					++_finish; 				} 			} 		} 		T& operator[](size_t pos) 		{ 			assert(pos < size()); 			return _start[pos]; 		} 		T& operator[](size_t pos)const 		{ 			assert(pos < size()); 			return _start[pos]; 		} 		iterator insert(iterator pos, const T& x) 		{ 			assert(pos <= _finish && pos >= _start); 			//检查是否扩容 			if (_finish == _end_of_storage) 			{ 				//先记录长度 				size_t len = pos - _start; 				size_t newCapacity = capacity() == 0 ? 4 : capacity() * 2; 				reserve(newCapacity); 				//更新迭代器指向新空间 				pos = _start + len; 			} 			//往后覆盖 			iterator end = _finish; 			while (end > pos) 			{ 				*end = *(end - 1); 				--end; 			} 			*pos = x; 			++_finish; 			return pos; 		} 		iterator erase(iterator pos) 		{ 			assert(pos >= _start && pos < _finish); 			iterator end = pos + 1; 			while (end != _finish) 			{ 				*(end - 1) = *end; 				++end; 			} 			--_finish; 			return pos; 		} 		void pop_back() 		{ 			--_finish; 		} 		void swap(vector<T>& v) 		{ 			std::swap(_start, v._start); 			std::swap(_finish, v._finish); 			std::swap(_end_of_storage, v._end_of_storage); 		} 		~vector() 		{ 			delete[]_start; 			_start = _finish = _end_of_storage = nullptr; 		} 	private: 		iterator _start; 		iterator _finish; 		iterator _end_of_storage; 	}; } ase(iterator pos) 		{ 			assert(pos >= _start && pos < _finish); 			iterator end = pos + 1; 			while (end != _finish) 			{ 				*(end - 1) = *end; 				++end; 			} 			--_finish; 			return pos; 		} 		void pop_back() 		{ 			--_finish; 		} 		void swap(vector<T>& v) 		{ 			std::swap(_start, v._start); 			std::swap(_finish, v._finish); 			std::swap(_end_of_storage, v._end_of_storage); 		} 		~vector() 		{ 			delete[]_start; 			_start = _finish = _end_of_storage = nullptr; 		} 	private: 		iterator _start; 		iterator _finish; 		iterator _end_of_storage; 	}; }