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vector涉及到许多细节问题，比如双层深拷贝，迭代器失效等，本篇文章我们通过模拟实现来深度理解这块的内容
1.基本框架
namespace own
{
template<class T>
class vector
{
public:
typedef T* iterator;
typedef const T* const_iterator;
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
};
}
我们首先定义了一个模版类，这里的vector三个成员均为迭代器，而Vector的迭代器是一个原生指针，我们这里为其定义别名iterator
私有成员:
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
这些成员变量用于管理vector内部的动态数组
_start: 这是一个指针，指向分配给vector的内存区域的开始。这是数组的第一个元素_finish: 这个指针指向数组中最后一个实际存在的元素的下一个位置。这意味着它指向结束后的第一个元素，它用来表示存储在vector中的实际元素的结束_endOfstorage: 这个指针指向分配给vector的内存块的末尾。这不是最后一个有效元素的位置，而是整个内存块的结束位置，在这之后可能会有额外的未初始化空间，预留以实现当vector增长时无需重新分配整个数组
2.构造和销毁
🔥vector()
空值初始化：
vector()
: _start(nullptr)
, _finish(nullptr)
, _endOfStorage(nullptr)
{}
我们也可以直接利用缺省值来完成：
vector()
{}
private:
iterator _start=nullptr;
iterator _finish=nullptr;
iterator _endOfStorage=nullptr;
};
🔥vector(size_t n, const T& value = T())
这个函数的功能是用n个value元素来构造一个vector
实现如下：
vector(size_t n, const T& val = T())
{
reserve(n);
for (size_t i = 0; i < n; i++)
{
push_back(val);
}
}
const T& value = T() 是使用了一个默认参数和引用的函数参数声明。
= T()这部分声明了默认值，如果在调用函数时没有提供这个参数，就会使用它。T()创建了T类型的一个临时对象，这是通过类型的默认构造函数完成的。这意味着如果没有提供具体的value值时，构造函数将使用T类型默认构造出的一个新对象作为默认值。
例如，如果 T 是 int，那么 T() 就是 0。如果 T 是某个类类型，并且该类有一个无参数的构造函数，那么 T() 就会调用这个默认构造函数来创建一个新对象。
因此，这个参数声明使得构造函数可以具有灵活性：你既可以用特定的初始值来构造 vector，也可以不提供初始值，让 vector 用类型 T 的默认值来填充
🔥vector(InputIterator first, InputIterator last)
template <class InputIterator>
vector(InputIterator first, InputIterator last)
{
while (first != last)
{
push_back(*first);
++first;
}
}
这个函数是vector 类的一个范围构造函数（range constructor），它允许你根据一对迭代器 first 和 last 来构造一个新的 vector 对象。这个构造函数遍历从 first 开始一直到 last 结束的序列，并将每个元素添加到新构造的 vector 中
下面是详细的说明：
template<class InputIterator>这一行表述了模板参数InputIterator，它是一种迭代器类型，用于表示输入序列中的位置。它可以是指针或支持++（前置递增）和*（解引用）操作的任何类型的迭代器。vector(InputIterator first, InputIterator last)这是构造函数的声明，它接受两个参数，first和last，代表输入序列的开始和结束迭代器。序列不包括迭代器last指向的元素。序列由[first, last)间的元素组成，是一个左闭右开的区间
函数体内的代码逻辑如下：
while (first != last)循环，将一直执行，直到first迭代器等于last迭代器，这表示已经到达了输入序列的末尾。push_back(*first)在循环体内部调用，这个函数应该是vector类中的成员函数，它会添加解引用迭代器first指向的当前元素到vector的末尾。++first然后迭代器first递增以便在下一次迭代中指向序列中的下一个元素。
这个构造函数可以用来构造一个 vector，使其包含现存容器（如另一个 vector、list 或 array）中某个子序列的元素，或者任何由迭代器定义的元素序列。例如：
注意，除了这两个函数，我们模拟实现时需要手动增加一个函数：
vector(int n, const T& val = T())
{
reserve(n);
for (int i = 0; i < n; i++)
{
push_back(val);
}
}
理论上将，提供了
vector(size_t n, const T& value = T())之后vector(int n, const T& value = T())就不需要提供了，但是对于：vector<int> v(10, 5);编译器在编译时，认为T已经被实例化为int，而10和5编译器会默认其为int类型就不会走vector(size_t n, const T& value = T())这个构造方法，最终选择的是：vector(InputIterator first, InputIterator last)因为编译器觉得区间构造两个参数类型一致，因此编译器就会将InputIterator实例化为int但是10和5根本不是一个区间，编译时就报错了故需要增加该构造方法
🔥vector(const vector& v)
拷贝构造函数实现，只需要分配好空间对元素依次尾插即可
vector(const vector<T>& v)
{
reserve(v.capacity());
for (auto& e : v)
{
push_back(e);
}
}
上述有关reserve和push_back函数的模拟实现，我们后文会讲到
🔥~vector()
对于析构函数，我们需要释放空间并置指针指向空：
~vector()
{
delete[] _start;
_start = _finish = _endofstorage = nullptr;
}
3.元素访问
🔥operator[ ]
T& operator[](size_t pos)
{
assert(pos < size());
return _start[pos];
}
const T& operator[](size_t pos)const
{
assert(pos < size());
return _start[pos];
}
🔥获取首尾元素
T& front()
{
return *_start;
}
const T& front()const
{
return *_start;
}
T& back()
{
return *(_finish - 1);
}
const T& back()const
{
return *(_finish - 1);
}
4.获取迭代器与容量操作
🔥iterator begin()，iterator end()
iterator begin()
{
return _start;
}
iterator end()
{
return _finish;
}
const_iterator begin() const
{
return _start;
}
const_iterator end() const
{
return _finish;
}
🔥size()，capacity()
获取容量大小与有效元素个数，只需要进行指针相减即可
size_t size() const
{
return _finish - _start;
}
size_t capacity() const
{
return _endofstorage - _start;
}
reserve开空间
void reserve(size_t n)
{
if (n > capacity())
{
T* tmp = new T[n];
size_t old_size = size();
memcpy(tmp, _start, size() * sizeof(T));
delete[] _start;
_start = tmp;
_finish = tmp + old_size;
_endofstorage = tmp + n;
}
}
这里我们开空间完成的是一个深拷贝的过程，用 memcpy 将旧数组中的元素复制到新数组，memcpy 在这里用于基于字节的拷贝，memcpy是一个浅拷贝，那么，如果我们vector实例化为string类，这里string类进行浅拷贝会涉及到二次释放等问题
虽然我的_start指向了新空间完成深拷贝，但是string类完成的是浅拷贝，仍指向原来的空间，这里为了解决上述问题，我们不能使用memcpy来进行拷贝，我们需要进行赋值操作来进行二次深拷贝
void reserve(size_t n)
{
if (n > capacity())
{
T* tmp = new T[n];
size_t old_size = size();
//memcpy(tmp, _start, size() * sizeof(T));
for (size_t i = 0; i < old_size; i++)
{
tmp[i] = _start[i];
}
delete[] _start;
_start = tmp;
_finish = tmp + old_size;
_endofstorage = tmp + n;
}
}
通过一个循环，使用拷贝赋值操作符逐个拷贝旧数组中的元素到新数组
🔥resize（）
void resize(size_t n, const T& val = T())
{
if (n > size())
{
reserve(n);
// 插入
while (_finish < _start + n)
{
*_finish = val;
++_finish;
}
}
else
{
// 删除
_finish = _start + n;
}
}
- 若resize传入的n大于capacity，进行扩容并用val来填满新位置
- 若n大于有效元素个数并小于capacity，不进行扩容，用val填满空位置
- 若n小于有效元素个数，进行删除操作
5.对内容的修改
🔥insert()
void insert(iterator pos, const T& val)
{
assert(pos >= _start);
assert(pos <= _finish);
if (_finish == _endofstorage)
{
reserve(capacity() == 0 ? 4 : capacity() * 2);
}
iterator it = _finish - 1;
while (it >= pos)
{
*(it + 1) = *it;
--it;
}
*pos = val;
++_finish;
}
首先是否判断需要扩容，接着进行挪动数据，由于这里是指针，挪动数据我们就不用考虑越界问题，指针不会指向零
迭代器失效
注意，上述代码我们忽略了pos的位置
if (_finish == _endofstorage)
{
reserve(capacity() == 0 ? 4 : capacity() * 2);
}
这里就会有迭代器失效的问题
迭代器的主要作用就是让算法能够不用关心底层数据结构，其底层实际就是一个指针，或者是对指针进行了封装，比如：vector的迭代器就是原生态指针
T*。因此迭代器失效，实际就是迭代器底层对应指针所指向的空间被销毁了，而使用一块已经被释放的空间，造成的后果是程序崩溃，即如果继续使用已经失效的迭代器，程序可能会崩溃
扩容后，我原先pos指向的位置被释放，这里pos变的不可用
所以这里我们需要更新pos位置
if (_finish == _endofstorage)
{
size_t len = pos - _start;
reserve(capacity() == 0 ? 4 : capacity() * 2);
// 如果扩容了要更新pos
pos = _start + len;
}
首先，记录pos到起始位置的大小，更新后新的start加上距离即可
在C++标准模板库(STL)中，迭代器失效(Iterator invalidation)是指当底层容器（例如vector，list或map等）发生改变时，其迭代器可能不再指向正确的元素，或者变得完全不可用。迭代器失效通常会发生在执行插入、删除或重新分配操作后
对于不同类型的容器，迭代器失效的条件会有所不同。对于vector：
增加容器中的元素（例如通过
push_back、insert等）可能会导致存储空间重新分配，从而使所有指向容器元素的迭代器、指针和引用失效。如果容器在插入新元素前还有足够的capacity（未使用的预留空间），一般来说，除了指向插入点之后元素的迭代器之外，其他的迭代器、指针和引用会保持有效。删除容器中的元素（例如通过
erase、pop_back等）会使所有指向被删除元素以及之后元素的迭代器、指针和引用失效。调整容器的大小（例如通过
resize）至大于当前size可能会导致重新分配，这也将导致所有迭代器、指针和引用失效。
当涉及vector类的成员函数时，需要确保任何可能导致迭代器失效的操作之后都不使用旧的迭代器。例如，在调用insert的例子中，如果进行了扩容操作，之前的pos迭代器就将失效，因为reserve可能会导致动态数组的重新分配。所以代码中重新计算了pos的值来防止迭代器失效
要安全地使用迭代器，最好的实践是避免在迭代过程中修改容器的大小和结构，或者如果确实需要修改，则应在每次修改后重新获取迭代器
🔥erase()
注意！erase返回的值是迭代器
iterator erase(iterator pos)
{
assert(pos >= _start);
assert(pos < _finish);
iterator it = pos + 1;
while (it < _finish)
{
*(it - 1) = *it;
++it;
}
--_finish;
return pos;
}
erase函数的返回值是一个迭代器，它指向被删除元素的原位置。由于元素已经被移动了，这个位置现在包含了前一个被删除元素位置之后的元素。
🔥push_back和pop_back
我们这两个函数直接复用上面的函数即可：
void push_back(const T& val)
{
insert(end(), val);
}
void pop_back()
{
erase(end() - 1);
}
本节内容到此结束！！感谢大家阅读，文章完整代码如下：
namespace own
{
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;
}
vector()
{}
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(const vector<T>& v)
{
reserve(v.capacity());
for (auto& e : v)
{
push_back(e);
}
}
bool empty()
{
return _start == _finish;
}
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;
}
size_t size() const
{
return _finish - _start;
}
size_t capacity() const
{
return _endofstorage - _start;
}
void reserve(size_t n)
{
if (n > capacity())
{
T* tmp = new T[n];
size_t old_size = size();
//memcpy(tmp, _start, size() * sizeof(T));
for (size_t i = 0; i < old_size; i++)
{
tmp[i] = _start[i];
}
delete[] _start;
_start = tmp;
_finish = tmp + old_size;
_endofstorage = tmp + n;
}
}
T& operator[](size_t pos)
{
assert(pos < size());
return _start[pos];
}
const T& operator[](size_t pos)const
{
assert(pos < size());
return _start[pos];
}
T& front()
{
return *_start;
}
const T& front()const
{
return *_start;
}
T& back()
{
return *(_finish - 1);
}
const T& back()const
{
return *(_finish - 1);
}
void resize(size_t n, const T& val = T())
{
if (n > size())
{
reserve(n);
// 插入
while (_finish < _start + n)
{
*_finish = val;
++_finish;
}
}
else
{
// 删除
_finish = _start + n;
}
}
void insert(iterator pos, const T& val)
{
assert(pos >= _start);
assert(pos <= _finish);
if (_finish == _endofstorage)
{
size_t len = pos - _start;
reserve(capacity() == 0 ? 4 : capacity() * 2);
// 如果扩容了要更新pos
pos = _start + len;
}
iterator it = _finish - 1;
while (it >= pos)
{
*(it + 1) = *it;
--it;
}
*pos = val;
++_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;
}
void push_back(const T& val)
{
insert(end(), val);
}
void pop_back()
{
/*assert(!empty());
--_finish;*/
erase(end() - 1);
}
private:
iterator _start=nullptr;
iterator _finish=nullptr;
iterator _endOfstorage=nullptr;
};
template<class T>
void print_vector(const vector<T>& v)
{
for (size_t i = 0; i < v.size(); i++)
{
cout << v[i] << " ";
}
cout << endl;
//typename vector<T>::const_iterator it = v.begin();
/*auto it = v.begin();
while (it != v.end())
{
cout << *it << " ";
++it;
}
cout << endl;
for (auto e : v)
{
cout << e << " ";
}
cout << endl;*/
}
}