C++标准模板库——vector的使用及其模拟实现

目录

一. vector的介绍
1.vector的介绍

二.vector的使用

  1. vector中常见接口的介绍
  2. vector的构造和析构函数
  3. vector的三种遍历方式

三.vector的模拟实现

  1. vector的增删查改
  2. vector容器的容量变化和大小增减
  3. vector迭代器失效问题
  4. vector的小框架 构造函数和析构函数
  5. 迭代器和operator[]的实现
  6. vector的拷贝构造函数和operator=
  7. memcpy拷贝问题
  8. 模拟实现整体源代码

一.vector的介绍

1.vector的介绍

更多详细细节可以参考 vector参考书
在这里插入图片描述

  1. vector是表示可变大小数组的序列容器。
  2. 就像数组一样，vector也采用的连续存储空间来存储元素。也就是意味着可以采用下标对vector的元素进行访问，和数组一样高效。但是又不像数组，它的大小是可以动态改变的，而且它的大小会被容器自动处理。
  3. 本质讲，vector使用动态分配数组来存储它的元素。当新元素插入时候，这个数组需要被重新分配大小
    为了增加存储空间。其做法是，分配一个新的数组，然后将全部元素移到这个数组。就时间而言，这是一个相对代价高的任务，因为每当一个新的元素加入到容器的时候，vector并不会每次都重新分配大小。
  4. vector分配空间策略：vector会分配一些额外的空间以适应可能的增长，因为存储空间比实际需要的存储空间更大。不同的库采用不同的策略权衡空间的使用和重新分配。但是无论如何，重新分配都应该是对数增长的间隔大小，以至于在末尾插入一个元素的时候是在常数时间的复杂度完成的。
  5. 因此，vector占用了更多的存储空间，为了获得管理存储空间的能力，并且以一种有效的方式动态增长。
  6. 与其它动态序列容器相比（deque, list and forward_list）， vector在访问元素的时候更加高效，在末尾添加和删除元素相对高效。对于其它不在末尾的删除和插入操作，效率更低。比起list和forward_list统一的迭代器和引用更好。

二. vector的使用

1. vector的常见接口介绍

1.1vector的定义

在这里插入图片描述

1.2 vector 迭代器 的使用

在这里插入图片描述
在这里插入图片描述

1.3 vector的空间增长问题

在这里插入图片描述
测试代码：

#include<iostream>
#include<vector>
using namespace std;void Test_vector2()
{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';}}
}int main()
{Test_vector2();return 0;
}

运行结果:
在这里插入图片描述

vs：运行结果：vs下使用的STL基本是按照1.5倍方式扩容

通过reserve()接口提前设置好容量，我们可以减少扩容次数，减少扩容对效率的损耗

测试代码：

#include<iostream>
#include<vector>
using namespace std;void Test_vector1()
{vector<int> v;for (size_t i = 0; i < 10; i++){v.push_back(i);}}void Test_vector2()
{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';}}
}void Test_vector3()
{vector<int> v;size_t sz = v.capacity();v.reserve(100); // 提前将容量设置好，可以避免一遍插入一遍扩容cout << "making bar 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';}}
}int main()
{Test_vector3();return 0;
}

在这里插入图片描述

1.4vector的增删查改

在这里插入图片描述
测试代码：

void Test_vector1()
{vector<int> v;for (size_t i = 0; i < 10; i++){v.push_back(i);}cout << "尾插数据后：" << endl;for (size_t i = 0; i < v.size(); i++){cout << v[i] << " ";//像数组一样用[]访问vector中的元素}cout << endl;v.pop_back();v.pop_back();cout << "尾删两个数据后：" << endl;for (size_t i = 0; i < v.size(); i++){cout << v[i] << " ";}cout << endl;vector<int>::iterator it = v.begin();v.insert(it+3, 30);//在下标为3的前面插入一个30for (size_t i = 0; i < v.size(); i++){cout << v[i] << " ";}cout << endl;it = v.erase(it+3);//删除it位置的数，并把该位置被删除的后面的数的迭代器返回给itfor (size_t i = 0; i < v.size(); i++){cout << v[i] << " ";}cout << endl;
}

运行结果：
在这里插入图片描述

2.vector的构造函数和析构函数

在这里插入图片描述

在这里插入图片描述

3.vector的三种遍历方式

测试代码：

void Test_vector4()
{vector<int> v;for (size_t i = 0; i < 10; i++){v.push_back(i);}cout << "第一种用[]进行遍历：" << endl;for (size_t i = 0; i < v.size(); i++){cout << v[i] << " ";}cout << endl;cout << "第二种用迭代器进行遍历：" << endl;vector<int>::iterator it = v.begin();while (it != v.end()){cout << *it << " ";it++;}cout << endl;cout << "第三种用范围for进行遍历：" << endl;for (auto e : v){cout << e << " ";}cout << endl;
}

运行结果：
在这里插入图片描述

三.vector的模拟实现

开始时定义个自己的命名空间，然后利用类模板控制vector可以存放多种类型的数据,定义迭代器和私有成员变量，_start相当于vector常用接口中的begin(),_finish相当于end(),_endofstorage相当于_start+capacity();
在这里插入图片描述

#pragma once#include<assert.h>
#include<string.h>
#include<iostream>
using namespace std;
namespace  simulation
{template<class T>class vector{public:typedef T* iterator;typedef const T* const_iterator;private:iterator _start;iterator _finish;iterator _endofstorage;};
}

1. vector的增删查改

代码：

//尾插
void  push_back(const T& x)
{if (_finish == _endofstorage){reserve(capacity() == 0 ? 4 : capacity() * 2);			}*_finish = x;_finish++;
}//在pos位置前插入x
void insert(iterator pos, const T& x)
{assert(pos >= _start);assert(pos <= _finish);if (_finish == _endofstorage){size_t len = pos - _start;reserve(capacity() == 0 ? 4 : capacity() * 2);pos = _start + len;}iterator end = _finish - 1;while (end >= pos){*(end + 1) = *end;end--;}*pos = x;_finish++;}//删除pos位置的元素
iterator erase(iterator pos)
{assert(pos >= _start);assert(pos <= _finish);iterator it = pos+1;while (it<_finish){*(it-1) = *it;++it;}_finish--;return pos;
}

测试代码：

void test_vector2()
{simulation::vector<int> v;//尾插v.push_back(1);v.push_back(2);v.push_back(3);v.push_back(4);v.push_back(5);v.push_back(6);v.push_back(7);v.push_back(8);for (int e : v){cout << e << " ";}cout << endl;//在4前面插入一个40v.insert(v.begin() + 3, 40);for (int e : v){cout << e << " ";}cout << endl;//头插一个100v.insert(v.begin(), 100);for (int e : v){cout << e << " ";}cout << endl;//尾插1000v.insert(v.end(), 1000);for (int e : v){cout << e << " ";}cout << endl;//头删v.erase(v.begin());for (int e : v){cout << e << " ";}cout << endl;//尾删v.erase(v.end() - 1);for (int e : v){cout << e << " ";}cout << endl;
}

运行结果：
在这里插入图片描述

  1. vector容器的容量变化和大小增减

成员函数实现：

void reserve(size_t n){if (n > capacity()){size_t sz = size();T* tmp = new T[n];if (_start){//memcpy(tmp, _start, sizeof(T) * sz);for (size_t i = 0; i < sz; i++){tmp[i] = _start[i];}delete[] _start;}_start = tmp;_finish = _start + sz;_endofstorage = _start + n;}}void resize(size_t n, const T& val = T()){if (n <= _finish){_finish = _start + n;}else{reserve(n);while (n + _start > _finish){*_finish = val;_finish++;}}}

在这里插入图片描述

  1. vector迭代器失效问题
    在这里插入图片描述
    在pos位置插入数据时，可能存在扩容问题，扩容一般情况下都会找一块新的空间，然后释放旧空间，把指针指向新的空间，但是此时传进去的参数pos没有跟着空间的变化而与_start发生相对变化，所以这时迭代器就失效了，不能再让迭代器往后使用了，此时想要不让迭代器失效只能保留pos与_start的偏移量，然后等到扩容后把pos位置的迭代器更新，那么pos位置的迭代器才能继续使用。

在这里插入图片描述
erase这个接口也会使得迭代器失效，原因在于删除pos位置的数据之后，pos指向的数据的值已经被删除，所以想要继续使用迭代器需要在该接口返回值那里返回一个迭代器，指向被删除的值的下一个位置的迭代器，方能继续使用.

所以这样实现才是合理的

//删除pos位置的元素
iterator erase(iterator pos)
{assert(pos >= _start);assert(pos <= _finish);iterator it = pos+1;while (it<_finish){*(it-1) = *it;++it;}_finish--;return pos;
}
  1. vector的小框架 构造函数和析构函数
    代码实现：
template <class InputIterator>
vector(InputIterator first, InputIterator last)
{while (first != last){push_back(*first);first++;}
}vector(size_t n, const T& val = T())
{reserve(n);for (size_t i = 0; i < n; i++){push_back(val);}
}vector(int n, const T& val = T())
{reserve(n);for (int i = 0; i < n; i++){push_back(val);}
}vector():_start(nullptr),_finish(nullptr),_endofstorage(nullptr)
{}vector(const vector<T>& v):_start(nullptr), _finish(nullptr), _endofstorage(nullptr)
{reserve(v.capacity());for (auto& e : v){push_back(e);}
}vector<T>& operator=(vector<T> tmp)
{swap(tmp);return *this;
}void swap(vector<T>& v)
{std::swap(_start, v._start);std::swap(_finish, v._finish);std::swap(_endofstorage, v._endofstorage);
}~vector()
{delete[] _start;_start = _finish = _endofstorage = nullptr;
}
  1. 迭代器和operator[]的实现
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;}T& operator[](size_t pos){assert(pos < size());return _start[pos];}T& operator[](size_t pos) const{assert(pos < size());return _start[pos];}
  1. vector的拷贝构造函数和operator=
vector(const vector<T>& v):_start(nullptr), _finish(nullptr), _endofstorage(nullptr)
{reserve(v.capacity());for (auto& e : v){push_back(e);}
}vector<T>& operator=(vector<T> tmp)
{swap(tmp);return *this;
}void swap(vector<T>& v)
{std::swap(_start, v._start);std::swap(_finish, v._finish);std::swap(_endofstorage, v._endofstorage);
}
  1. memcpy拷贝问题
    memcpy进行拷贝时会对自定义数据类型的数据进行浅拷贝，而浅拷贝在进行析构的时候，会进行两次析构，导致出现错误，所以拷贝的时候应该进行深拷贝
    如下是代码实现
void reserve(size_t n){if (n > capacity()){size_t sz = size();T* tmp = new T[n];if (_start){//memcpy(tmp, _start, sizeof(T) * sz);for (size_t i = 0; i < sz; i++){tmp[i] = _start[i];}delete[] _start;}_start = tmp;_finish = _start + sz;_endofstorage = _start + n;}}

通过for循环一份一份的拷贝到新的空间就不会造成空间被释放两次

  1. 模拟实现整体源代码
#pragma once#include<assert.h>
#include<string.h>
#include<iostream>
using namespace std;
namespace  simulation
{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 _endofstorage - _start;}template <class InputIterator>vector(InputIterator first, InputIterator last){while (first != last){push_back(*first);first++;}}vector(size_t n, const T& val = T()){reserve(n);for (size_t i = 0; i < n; i++){push_back(val);}}vector(int n, const T& val = T()){reserve(n);for (int i = 0; i < n; i++){push_back(val);}}vector():_start(nullptr), _finish(nullptr), _endofstorage(nullptr){}vector(const vector<T>& v):_start(nullptr), _finish(nullptr), _endofstorage(nullptr){reserve(v.capacity());for (auto& e : v){push_back(e);}}vector<T>& operator=(vector<T> tmp){swap(tmp);return *this;}void swap(vector<T>& v){std::swap(_start, v._start);std::swap(_finish, v._finish);std::swap(_endofstorage, v._endofstorage);}~vector(){delete[] _start;_start = _finish = _endofstorage = nullptr;}T& operator[](size_t pos){assert(pos < size());return _start[pos];}T& operator[](size_t pos) const{assert(pos < size());return _start[pos];}void reserve(size_t n){if (n > capacity()){size_t sz = size();T* tmp = new T[n];if (_start){//memcpy(tmp, _start, sizeof(T) * sz);for (size_t i = 0; i < sz; i++){tmp[i] = _start[i];}delete[] _start;}_start = tmp;_finish = _start + sz;_endofstorage = _start + n;}}void resize(size_t n, const T& val = T()){if (n <= _finish){_finish = _start + n;}else{reserve(n);while (n + _start > _finish){*_finish = val;_finish++;}}}void  push_back(const T& x){if (_finish == _endofstorage){reserve(capacity() == 0 ? 4 : capacity() * 2);}*_finish = x;_finish++;}void insert(iterator pos, const T& x){assert(pos >= _start);assert(pos <= _finish);if (_finish == _endofstorage){size_t len = pos - _start;reserve(capacity() == 0 ? 4 : capacity() * 2);pos = _start + len;}iterator end = _finish - 1;while (end >= pos){*(end + 1) = *end;end--;}*pos = x;_finish++;}iterator erase(iterator pos){assert(pos >= _start);assert(pos <= _finish);iterator it = pos + 1;while (it < _finish){*(it - 1) = *it;++it;}_finish--;return pos;}private:iterator _start;iterator _finish;iterator _endofstorage;};
}

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