探索C++中的动态数组：实现自己的Vector容器

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🎉本篇文章将 介绍如何使用C++编写代码来实现一个类似于STL中的Vector容器 等学习的相关知识进行分享！

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一.前言

这篇文章将介绍如何使用C++编写代码来实现一个类似于STL中的Vector容器。Vector是一种动态数组，它可以根据需要自动调整大小，并提供了许多方便的方法来操作数据。在这篇文章中，你将学习如何使用指针和动态内存分配来创建一个可变大小的数组，并实现Vector的常见功能，如添加元素、删除元素、访问元素等。通过实现自己的Vector容器，你将更好地理解动态数组的原理和实现方式，并提升对C++语言的理解和掌握。

二.Vs下Vector的底层结构

vs下底层是一个类，类里面的成员变量包括三个指针，指针类型为所存储数据类型（T）的指针；
T* _start 指向的是存储数据所开空间的起始位置；
T* _finish 指向的是最后一个数据的下一个位置；
T* _endofstorage 指向的是所开空间的最后的下一个位置；

如图：

public:
	typedef T* iterator;
	typedef const T* const_iterator;
private:
	iterator _start;
	iterator _finish;
	iterator _endofstorage;

三.vector的模拟实现

1.构造函数

1.直接初始化为空指针，使用时再开空间

vector()
	:_start(nullptr)
	,_finish(nullptr)         //也可以在定义的时候直接给缺省值
	,_endofstorage(nullptr)
{}

2.用一个迭代器区间构造（需要复用下面实现的push_back函数）

	template<class intputiterator>     //模板
	vector(intputiterator first, intputiterator last)
	{
		while (first != last)  //不能是用<判断，因为底层不一定连续
		{
			push_back(*first);    //依次取里面的数据尾插
			++first;
		}
	}

3.用n个T类型构造对象（这里需要后面实现的resize函数）

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

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

注意：这里为什么要实现两个？

2.reserve函数

结合下面代码和图解看看思路解析：
1.reserve函数可以单独使用，也可以在其他接口种会使用，我们实现的该函数不会缩容，所以最开始会加一个判断是否缩容；
2.reserve函数的实现是开一个新空间，将原空间的数据拷贝到新空间，再对_start,_finish,_endofstorage 进行处理；
3.这里需要记录一个原空间存储的有效数据的个数，为了确定_finish的位置（如果不存储，则当开辟好了新空间后，_finish的位置不能确定）
图解：

void reserve(size_t n)
{
	if (n > capacity())
	{
		size_t old_size = size();      //旧空间有效数据个数
		size_t newcapacity = capacity() == 0 ? 4 : 2 * capacity();   //需要判断，因为可能为0
		iterator tmp = new T[newcapacity];     //开空间
		//memcpy(tmp, _start,old_size * sizeof(T));   //下面会将为什么不用memmove函数
		for (int i = 0; i < old_size; i++)
		{
			tmp[i] = _start[i];       //拷贝数据
		}
		delete[] _start;             //释放旧空间
		_start = tmp;
		_finish = _start + old_size;      //确定_finish的位置
		_endofstorage = _start + newcapacity;     
	}
}

为什么不用memmove？
当我们存储的数据类型为string时【如图一】每个string对象里面都有一个_str，指向一个字符串，当我们用memmove拷贝后，拷贝后的_str与拷贝前的_str指向同一块空间【如图二】，当我们释放_start的时候，会调用string的析构函数，将该空间释放掉，就会导致野指针问题；

3.push_back函数

思路：检查是否空间满了，扩容，直接尾插

	void push_back(const T& x)
	{
		if (_finish == _endofstorage)    //检查是否需要扩容
		{
			reserve(capacity() == 0 ? 4 : 2 * capacity());
		}

		*_finish = x;     //尾插

		++_finish;    //更新下标
	}

4.push_back函数

思路：与顺序表实现一样，直接–_finish;

void pop_back()
{
	assert(size());   //检查是否还有有效数据可删
	--_finish;
}

5.resize函数

思路：
分为三种可能:
1.n>capacity 扩容+尾插
2.size<n<capacity 直接尾插
3.n<size 尾删

值得注意的是传参给了缺省值，因为存储数据可能是string这种数据，给了缺省值会去掉对应的默认构造函数，虽然内置类型没有默认构造，但是为了解决这类问题，有了类似于默认构造类处理内置类型；

		void resize(size_t n,T x=T() )   
		{
			if (n<size())     //直接改变_finish
			{
				_finish = _start + n;;
			}
			else
			{
				if (n > capacity())   //扩容
				{
					reserve(n);
				}
				for (size_t i = size(); i <= n; i++)  //尾插
				{
					_start[i] = x;      //可以复用push_back函数
				}
				_finish = _start + n;    //更新
			}
			
		}

6.insert函数

思路：
1.检查是否需要扩容
2.挪动数据
3.插入，更新下标

iterator insert(iterator pos, const T& x)
{
	assert(pos);
	assert(pos >= _start);     //断言
	assert(pos <= _finish);
	if (_finish == _endofstorage)
	{
		size_t len = pos - _start;              //记录之前的值
		reserve(capacity() == 0 ? 4 : 2 * capacity();    //扩容
		pos = _start + len;          //更新pos下标
	}
	//memmove(pos+1, pos, sizeof(T) * (_finish - pos));  
	iterator end = _finish-1;
	while (end>=pos)
	{
		*(end+1) = *end;     //拷贝
		end--;
	}
	*pos = x;     //插入
	++_finish;    

	return pos;    //返回pos位置的迭代器，防止迭代器失效问题
}

7.erase函数

直接挪动数据覆盖

	iterator erase(iterator pos)
	{
		assert(pos < _finish && pos >= _start);   //断言

		iterator end = pos;
		while (end < _finish)
		{
			*end = *(end + 1);   //挪动数据覆盖
			end++;
		}
		--_finish;          //更新下标

		return pos;      //返回pos位置的迭代器，防止迭代器失效问题
	}

8.swap函数

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

9.赋值运算符重载

与上章《魔法之线：探索string类的神秘世界》链接: link赋值运算符重载方法一样；

现代写法：

	vector<T>& operator=(vector<T> v)
	{
		swap(v);      

		return *this;
	}

10.拷贝构造函数

传统写法：

	vector(const vector<T>& v)
	{
		iterator tmp = new T[v.capacity()];
		memcpy(tmp, v._start, sizeof(T) * v.size());
		_start = tmp;
		_finish = _start + v.size();
		_endofstorage = _start + v.capacity();

	}

稍便捷的方式
直接复用尾插函数，将对象v的数据一个一个尾插；

		vector(vector<T>& v)
			:_start(nullptr)
			,_finish(nullptr)
			,_endofstorage(nullptr)
		{
			reserve(v.capacity());      //提前空间，减少尾插扩容
			for (const auto& e : v)
			{
				push_back(e);
			}
		}

11.其他简单函数的实现：

		//判空
		bool empty()
		{
			return size();
		}
		//返回第一个数据
		T& front()const
		{
			return *_start;
		}
		//返回最后一个数据
		T& back()const
		{
			return *(_finish-1);
		}
		//返回有效数据个数
		size_t size()const
		{
			return _finish - _start;
		}
		//返回容量
		size_t capacity()const
		{
			return _endofstorage - _start;
		}
		//[]运算符重载
		T& operator[](size_t pos)
		{
			assert(pos>=0 && pos<size());

			return _start[pos];
		}

		T& operator[](size_t pos)const
		{
			assert(pos >= 0 && pos < size());

			return _start[pos];
		}
		iterator begin()
		{
			return _start;
		}

		iterator end()
		{
			return _finish;
		}

		const_iterator begin()const
		{
			return _start;
		}

		const_iterator end()const
		{
			return _finish;
		}

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

四.迭代器失效例题：

例题1：

假设cont是一个Container 的示例，里面包含数个元素，那么当CONTAINER为：1.vector 2.list 3.deque 会导致下面的代码片段崩溃的Container 类型是（ ）

int main()
{
	Container cont = { 1, 2, 3, 4, 5};
	Container::iterator iter, tempIt;
	for (iter = cont.begin(); iter != cont.end();)
	{
		tempIt = iter;
		++iter;
		cont.erase(tempIt);
	}
}

解析：
分析：此题主要考察cont.erase(tmpit)删除数据之后，迭代器失效相关问题

本题重点要关注的是底层实现

vector、deque底层都是用了连续空间，所以虽然++iter迭代器了，但是erase(tempit)以后

底层是连续空间，删除会挪动数据，最终导致iter意义变了，已失效了。

而list，不是连续空间，删除以后tempIt虽然失效了，但是不影响iter。

例题2：

对于list有迭代器it, 当erase(it)后，说法错误的是( )

A.当前迭代器it失效
B.it前面的迭代器仍然有效
C.it后面的迭代器失效
D.it后面的迭代器仍然有效

解析：

分析：删除节点后，只有指向当前节点的迭代器失效了，其前后的迭代器仍然有效，因为底层为不连续空间，只有被删除的 节点才会失效， 所以答案为 C

例题3：

下面程序的输出结果正确的是(    )
int main()
{
	int ar[] ={1,2,3,4,0,5,6,7,8,9};
	int n = sizeof(ar) / sizeof(int);
	vector<int> v(ar, ar+n);
	vector<int>::iterator it = v.begin();
	while(it != v.end())
	{
		if(*it != 0)
			cout<<*it;
		else
			v.erase(it);
		it++;
	}
	return 0;
}

解析：
分析:当迭代器的值为0时，此时会进行删除，删除后如果迭代器不重新赋值，会导致原来的迭代器失效，此时针对一个已经失效的迭代器在进行++,会导致程序崩溃

例题4：

下面关于迭代器失效的描述哪个是错误的（ ）

A.vector的插入操作一定会导致迭代器失效
B.vector的插入操作有可能不会导致迭代器失效
C.vector的删除操作只会导致指向被删除元素及后面的迭代器失效
D.vector的删除操作只会导致指向被删除元素的迭代器失效

解析：
A.vector的插入操作如果导致底层空间重新开辟，则迭代器就会失效。如果空间足够，不扩容时，迭代器不一定失效，比如push_back尾插，元素插入到空间末尾，在不扩容时不会对迭代器产生影响
B.参考A的解释。
C.vector删除，当前元素肯定失效，后面元素会牵扯到移动数据，因此删除元素后面的迭代器也会失效
D. vector的删除操作不光会导致指向被删除元素的迭代器失效，删除元素后面的迭代器也会失效

例题5：

T是一个数据类型，在vs系列编译器中，debug模式下，关于std::vector::at 和 std::vector::operator[ ] 描述正确的是( )
A.at总是做边界检查， operator[] 不做边界检查.
B.at 不做边界检查， operator[] 做边界检查.
C.at和operator[] 都是会做边界检查的
D.以上都不对

解析：

注意题目专门强调了vs系列编译器，debug模式下at() 和 operator[] 都是根据下标获取任意位置元素的，在debug模式下两者都会去做边界检查。当发生越界行为时，at 是抛异常，operator[] 内部的assert会触发，故选择C。

💕最后希望内容对大家有所帮助😊😊😊