C++vector类的模拟实现

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模拟实现vector类

收录于专栏【C++语法基础】
本专栏旨在分享学习C++的一点学习笔记，欢迎大家在评论区交流讨论💌

 

目录

前置说明

1. vector的迭代器

2. vector的构造和析构

2.1 构造函数:

2.2 赋值操作符重载

2. 3 析构函数 

3. vector容量的操作

3.1 size

3.2 capcity

3.3 reserve

3.4 resize

4. vector的修改

4.1 push_back

4.2 pop_back

4.3 swap

4.4 insert

4.5 erase

5. vector对象的访问

6. 测试模拟实现的vector

6.1 测试vector的构造

6.2 测试vector的容量操作

6.3 测试vector的修改

6.4 测试vector对象的访问 

前置说明

这里需要模拟实现vector类的操作有:

namespace my_vector
{template<class T>class vector{public:// Vector的迭代器是一个原生指针typedef T* iterator；typedef const T* const_iterator；iterator begin()；iterator end()；const_iterator cbegin()；const_iterator cend() const；// construct and destroyvector()；vector(int n, const T& value = T())；template<class InputIterator>vector(InputIterator first, InputIterator last)；vector(const vector<T>& v)；vector<T>& operator= (vector<T> v)；~vector()；// capacitysize_t size() const ；size_t capacity() const；void reserve(size_t n)；void resize(size_t n, const T& value = T())；///access///T& operator[](size_t pos)；const T& operator[](size_t pos)const；///modify/void push_back(const T& x)；void pop_back()；void swap(vector<T>& v)；iterator insert(iterator pos, const T& x)；iterator erase(Iterator pos)；private:iterator _start; // 指向数据块的开始iterator _finish; // 指向有效数据的尾iterator _endOfStorage; // 指向存储容量的尾};
}

1. vector的迭代器

  // Vector的迭代器是一个原生指针typedef T* iterator;typedef const T* const_iterator;iterator begin(){return _start;}iterator end(){return _finish;}const_iterator cbegin()const{return _start;}const_iterator cend() const{return _finish;}

iterator 和 const_iterator 分别是指向元素的普通指针和常量指针。begin() 和 end() 方法返回容器的起始和结束迭代器，允许遍历元素。而 cbegin() 和 cend() 方法提供了常量迭代器，适用于只读访问。整体上，这些方法提供了对容器元素的访问方式，便于使用标准迭代器模式进行遍历。 

2. vector的构造和析构

2.1 构造函数:

vector() : _start(nullptr), _finish(nullptr), _endOfStorage(nullptr)
{}vector(int n, const T& value = T()): _start(nullptr), _finish(nullptr), _endOfStorage(nullptr)
{reserve(n);while (n--){push_back(value);}
}template<class InputIterator>
vector(InputIterator first, InputIterator last)
{reserve(last - first);while (first != last){push_back(*first);++first;}
}vector(const vector<T>& v): _start(nullptr), _finish(nullptr), _endOfStorage(nullptr)
{reserve(v.capacity());iterator it = begin();const_iterator vit = v.cbegin();while (vit != v.cend()){*it++ = *vit++;}_finish = _start + v.size();_endOfStorage = _start + v.capacity();}

1. 默认构造函数 vector() :

        初始化三个指针 _start, _finish, 和 _endOfStorage 为 nullptr，表示一个空的容器。

2. 带大小和初始值的构造函数 vector(int n, const T& value = T()) :

            使用 reserve(n) 预留存储空间，以便存放 n 个元素。
            通过 push_back(value) 将 value 添加到容器中，重复 n 次以填充容器。

3. 范围构造函数 template<class InputIterator> vector(InputIterator first, InputIterator last) :

            计算输入迭代器之间的距离并调用 reserve。
            使用 push_back(*first) 逐个添加元素，直到 first 达到 last。

4. 拷贝构造函数 vector(const vector<T>& v) :

            先调用 reserve(v.capacity()) 为新容器分配与源容器相同的容量。
            使用迭代器逐个复制元素，从源容器的常量迭代器 vit 读取，并将其值赋给当前容器的迭代器 it。
            最后，更新 _finish 和 _endOfStorage 指针，确保它们正确指向新容器的结束和存储空间的边界。

 

2.2 赋值操作符重载

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

参数为值传递：

vector<T> v 会创建传入对象的一个副本。这一副本会通过拷贝构造函数生成，保证了原对象不受影响。

调用 swap(v)：

swap 函数交换当前对象(*this) 和副本 v 的内容。这种做法能够高效地处理资源管理，避免多次内存分配和释放，减少了潜在的异常风险。

返回* this：

最后，返回对当前对象的引用，使得赋值操作可以链式调用，例如 a = b = c。

 

2. 3 析构函数 

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

1. 内存释放：delete[] _start;

这行代码释放了之前通过动态分配（通常是在 reserve 或其他构造函数中）分配的内存。由于 _start 指向的是一个动态数组，所以使用 delete[] 来确保正确地释放整个数组。
2. 指针重置：_start = _finish = _endOfStorage = nullptr;

这一行将三个指针重置为 nullptr，以防止悬挂指针。虽然析构函数会在对象销毁后自动调用，但将指针设为 nullptr 是一种良好的编程习惯，能够减少错误风险，尤其是在调试时。
3. 异常安全：

析构函数通常不应该抛出异常，因此在此处处理资源释放时采用了简单直接的方法，确保即使在异常情况下也能正常释放资源。

3. vector容量的操作

3.1 size

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

3.2 capcity

        size_t capacity() const{return _endOfStorage - _start;}

3.3 reserve

        void reserve(size_t n){if (n > capacity()){size_t oldSize = size();T* tmp = new T[n];if (_start){for (size_t i = 0; i < oldSize; ++i)tmp[i] = _start[i];}_start = tmp;_finish = _start + oldSize;_endOfStorage = _start + n;}}

1. 容量检查：if(n > capacity())

        首先检查请求的容量 n 是否大于当前容量。如果不大于，则不需要重新分配内存，函数直接返回。
2. 保存旧大小：size_t oldSize = size();

        记录当前元素的数量，以便在新内存中复制元素。
3. 动态分配新内存：T* tmp = new T[n];

        分配一个新的数组 tmp，大小为 n。
4. 复制旧数据：

        如果 _start 指针不为 nullptr（表示当前有存储的元素），则使用循环将旧数组中的元素复制到新数组 tmp。
5. 更新指针：

        _start 被更新为指向新分配的数组 tmp。
        _finish 更新为 _start + oldSize，指向已复制的元素末尾。
        _endOfStorage 更新为 _start + n，表示新数组的容量边界。

 

3.4 resize

void resize(size_t n, const T& value = T())
{// 1.如果n小于当前的size，则数据个数缩小到nif (n <= size()){_finish = _start + n;return;}// 2.空间不够则增容if (n > capacity())reserve(n);// 3.将size扩大到niterator it = _finish;iterator _finish = _start + n;while (it != _finish){*it = value;++it;}
}

1. 缩小大小：如果新的大小小于或等于当前大小，直接将结束指针 _finish 移动到新大小，丢弃多余的元素。

2. 增容：如果新大小大于当前容量，调用 reserve 来确保 vector 有足够的空间。

3. 扩展大小：将结束指针更新到新大小，并用指定的值初始化新添加的元素，直到达到新的结束指针。

关键点总结：
当缩小时，只调整指针而不调用析构函数。
在增容时，通过 reserve 确保内存足够。
在扩展时，初始化新元素以保持一致性。 

4. vector的修改

4.1 push_back

        void push_back(const T& x){insert(end(), x);}

4.2 pop_back

        void pop_back(){erase(--end());}

4.3 swap

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

1. 指针交换：通过 swap 函数交换 _start、_finish 和 _endOfStorage 三个指针。这意味着两个 vector 将交换它们的内部存储，实际上并没有复制数据，而是简单地交换指针。

2. 高效性：这个交换操作非常高效，因为它只涉及指针的交换，而不需要移动任何元素或重新分配内存。

3. 异常安全：swap 的实现是标准库提供的版本（通常是 noexcept），那么这个函数也具有异常安全性。

4. 状态一致性：通过交换指针，两个 vector 的状态完全对调，原有的内存管理也随之转移，确保了资源的正确管理。

 

4.4 insert

        iterator insert(iterator pos, const T& x){assert(pos <= _finish);// 空间不够先进行增容if (_finish == _endOfStorage){size_t len = pos - _start;size_t newCapacity = (0 == capacity()) ? 1 : capacity() * 2;reserve(newCapacity);// 如果发生了增容，需要重置pospos = _start + len;}iterator end = _finish - 1;while (end >= pos){*(end + 1) = *end;--end;}*pos = x;++_finish;return pos;}

1. 参数和前提条件
        参数：
                pos：插入位置的迭代器，指向希望插入新元素的地方。
                x：要插入的元素。
        前提条件：
                使用 assert 确保 pos 不超过 _finish，即插入位置在有效范围内。
2. 增容逻辑
        判断是否需要增容：
                检查 _finish 是否等于 _endOfStorage，即当前是否已满。
                如果已满，计算新的容量（当前容量的两倍，或初始为 1）。
                调用 reserve 函数来分配新的内存。
        调整插入位置：
                如果进行了增容，需要重新计算插入位置 pos，因为内存可能已改变，pos 应该重新定位。
3. 元素移动
        移动元素：
                从 _finish - 1 开始，向后移动元素，将每个元素向右移动一位，以腾出插入位置。
                通过循环将元素依次复制到它们的下一个位置，直到移动到 pos。
4. 插入元素
        在计算得出的 pos 位置插入新元素 x。
5. 更新结束指针
        增加 _finish 的值，表示 vector 的大小已增加。
6. 返回值
        返回插入位置的迭代器 pos，以便后续操作或链式调用。 

4.5 erase

 // 返回删除数据的下一个数据// 方便解决:一边遍历一边删除的迭代器失效问题iterator erase(iterator pos){// 挪动数据进行删除iterator begin = pos + 1;while (begin != _finish){*(begin - 1) = *begin;++begin;}--_finish;return pos;}

5. vector对象的访问

        T& operator[](size_t pos){return _start[pos];}const T& operator[](size_t pos)const{return _start[pos];}

6. 测试模拟实现的vector

6.1 测试vector的构造

void Text_my_vector1()
{my_vector::vector<int> ret1;my_vector::vector<int> ret2(3, 666);my_vector::vector<int> ret3(ret2);my_vector::vector<int> ret4 = ret2;for (auto ch : ret1)cout << ch << endl;cout << endl;for (auto ch : ret2)cout << ch << endl;cout << endl;for (auto ch : ret3)cout << ch << endl;cout << endl;for (auto ch : ret4)cout << ch << endl;cout << endl;
}

 

6.2 测试vector的容量操作

void Text_my_vector2()
{my_vector::vector<int> ret(100, 999);cout << ret.size() << endl;cout << ret.capacity() << endl;cout << endl;ret.push_back(666);cout << ret.size() << endl;cout << ret.capacity() << endl;cout << endl;ret.reserve(10);cout << ret.capacity() << endl;cout << endl;ret.reserve(100);cout << ret.capacity() << endl;cout << endl;ret.reserve(1000);cout << ret.capacity() << endl;cout << endl;ret.resize(100, 1);cout << ret.size() << endl;cout << ret.capacity() << endl;cout << endl;ret.resize(10, 2);cout << ret.size() << endl;cout << ret.capacity() << endl;cout << endl;}

 

6.3 测试vector的修改

void Text_my_vector3()
{my_vector::vector<int> ret1(10, 1);my_vector::vector<int> ret2(6, 666);//迭代器遍历my_vector::vector<int>::iterator it = ret1.begin();while (it < ret1.end()){cout << *it << " ";it++;}cout << endl;//for范围遍历for (auto ch : ret2)cout << ch << " ";cout << endl;ret1.push_back(666);ret1.push_back(666);ret1.push_back(666);for (auto ch : ret1)cout << ch << " ";cout << endl;for (auto ch : ret2)cout << ch << " ";cout << endl;for (auto ch : ret1)cout << ch << " ";cout << endl;for (auto ch : ret2)cout << ch << " ";cout << endl;ret1.insert(ret1.begin() + 3, 888);ret2.insert(ret1.begin() + 3, 888);for (auto ch : ret1)cout << ch << " ";cout << endl;for (auto ch : ret2)cout << ch << " ";cout << endl;ret1.erase(ret1.end() - 9);ret2.erase(ret1.end() - 9);for (auto ch : ret1)cout << ch << " ";cout << endl;for (auto ch : ret2)cout << ch << " ";cout << endl;
}

 

6.4 测试vector对象的访问 

void Text_my_vector4()
{my_vector::vector<int> ret(10, 888);cout << ret[7] << endl;ret.insert(ret.begin() + 7, 666);cout << ret[7] << endl;
}

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