【C++】vector容器初步模拟

叫我龙翔

发布于 2024-03-23 08:23:41

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发布于 2024-03-23 08:23:41

文章被收录于专栏：就业 C++ 综合学习

今天我我来进行vector的模拟实现，先简单的实现一下初步功能，使其对内置类型可以适配。（大部分与string很类似）

1 认识vector

开始了解

vector是表示可变大小数组的序列容器。
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。
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。
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。
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。
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。

使用STL的三个境界：能用，明理，能扩展，那么下面学习vector，我们也是按照这个方法去学习

底层实现

我们来了解一下vector的底层实现是如何做到，首先就要了解其类成员是如何定义的，这样我们才能更好的复刻vector（以下是1996年的STL版本，还比较简单）：

protected:
  typedef simple_alloc<value_type, Alloc> data_allocator;
  iterator start; 
  iterator finish;
  iterator end_of_storage //容量结束;

可以看到受保护的内部成员变量是由三个迭代器构成的。迭代器的底层是：

typedef T value_type;
typedef value_type* iterator;

也就是说底层是指针，T是模版类的参数。接下来我们在观察一下构造函数是如何操作的(参考一部分)：

 vector() : start(0), finish(0), end_of_storage(0) {}
 vector(size_type n, const T& value) { fill_initialize(n, value); }
 vector(int n, const T& value) { fill_initialize(n, value); }
 vector(long n, const T& value) { fill_initialize(n, value); }

这个fill_initialize又是什么呢？？？是初始化函数，（在工程文件中，经常使用一层又一层的嵌套，由于我还没有丰富的工程经验，我看起来还是很费劲，晕乎乎的）。我们看一部分即可，现在我们开始手搓vector，针对内置类型进行操作。

2 开始实现

我们开始逐步进行实现。

成员变量

根据我们刚才所查看的源码，我们要使用三个迭代器，要使用迭代器，我们可以使用指针进行模拟。

//使用模版 兼容各种类型
template<typename T>
class vector {
public:
	//重命名 指针即可模拟迭代器 常量与非常量都要提供哦
	typedef T* iterator;
	typedef const T* const_iterator;
	private:
		iterator _start = nullptr;
		iterator _finish = nullptr;
		iterator _end = nullptr;
	};

写出三个迭代器（指针）后，我们对构造函数应该也有了大致思路：需要初始化三个迭代器，所以我们给与初始值nullptr。让后进行开辟空间。

构造函数析构函数

这里的构造函数我设置三个接口，一个是空构造，一个是开辟 N 个空间并初始化为val，一个是拷贝构造:

//空构造
vector() 
{}
//开辟 N 个空间并初始化为val
vector(size_t n,T val = T()) {
	iterator tmp = new T[n];
	_start = tmp;
	for (iterator it = begin(); it < _start + n ;it++) {
		 *it= val;
	}
	_finish = _start + n;
	_end = tmp + n ;

}
/拷贝构造
vector(vector<T>& v) {
	//依次尾插即可完成操作
	for (auto s : v) {
		push_back(s);
	}
}

析构函数就是简单的释放空间即可：

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

我们完成了构造函数和析构函数，为了能够进行测试，我们现在来实现尾插操作：

尾插

尾插操作之前，根据我们实现string的经验来说，我们需要做一些准备工作，实现一些常用接口（size(),capacity(),reserve(),resize()）: 注意：如果对象中涉及到资源管理时，千万不能使用memcpy进行对象之间的拷贝，因为memcpy是浅拷贝，否则可能会引起内存泄漏甚至程序崩溃。

		//注意const 保证不会进行权限的放大
		size_t size() const{
			return _finish - _start;
		}
		size_t capacity() const{
			return _end - _start;
		}
		bool empty(){
			return size() == 0;
		}
		//扩容
		void reserve(size_t newcapacity) {
			//记录位置
			size_t n = _finish - _start;
			T* tmp = new T[newcapacity];
			//拷贝
			memcpy(tmp, _start, size() * sizeof(T));
			_start = tmp;
			_finish = _start + n;
			_end = _start + newcapacity;
		}
		//改变大小
		void resize(size_t n, T val = T()) {
			//x需要扩容
			if ( n > size())
			{
				reserve(n);
				 ;
				while (_finish != _end) {
					*_finish = val;
					_finish++;
				}
				
			}
			//不需扩容
			else 
			{
				_finish = _start + n;
			}
		}

实现了这些接口，就可以顺畅的进行尾插的书写，通过size（）和capacity（）可以判断是否需要扩容，reserve可以进行扩容。然后再_finish位置插入新的数据，再移动_finish即可。

		//尾插
		void push_back(T val) 
		{
			if (size() == capacity()) {
				//扩容
				reserve(capacity() == 0 ? 4 : 2 * capacity());
			}
			*_finish = val;
			_finish++;
		}

接下来我们在完善一下迭代器。

迭代器

迭代器的实现很简单，对指针进行重命名即可（真正的迭代器没有这么简单）

typedef T* iterator;
typedef const T* const_iterator;

//迭代器
iterator begin() { return _start; }
iterator end() { return _finish; }
const_iterator begin() const{ return _start; }
const_iterator end() const{ return _finish; }

完成了begin（）和end()函数，就可以使用基于范围的for循环了。我们进行一个简单的测试，来看看我们写的构造，尾插是否正常。

template<class T>
void print_vector(const vector<T> v) {
	for (size_t i = 0; i < v.size(); i++) {
		cout << v[i] << " ";
	}
	cout << endl;
}
//构造，尾插测试
void vector_test1() {
	cout << "---------构造 ，尾插测试---------\n";
	vector<int> v1;
	vector<int> v2(4);

	v2.push_back(1);
	v2.push_back(2);
	v2.push_back(3);
	v2.push_back(4);

	print_vector(v2);

	v1.push_back(5);
	v1.push_back(6);
	print_vector(v1);
	cout << v1.size() << endl;
	cout << v1.capacity() << endl;

	vector<int> v3(v1);
	print_vector(v3);
}

看一下效果：

没有问题！！！

插入删除寻找操作

这个也很简单，对数据进行挪动就可以完成：

//任意位置插入
void insert(size_t pos = 0,T val = T()) {
//保证在数据范围之内
	assert(pos >= 0);
	assert(pos <= size());
	//检查
	if (size() == capacity()) {
		//扩容
		reserve(capacity() == 0 ? 4 : 2 * capacity());
	}

	iterator it = end();
	//依次后移 然后插入
	while (it >= begin() + pos) {
		*(it + 1) = *it;
		it--;
	}
	it++;
	*it = val;
	_finish++;
}
void erease(size_t pos) 
{
//保证在数据范围之内
	assert(pos >= 0);
	assert(pos <= size());

	iterator it = begin() + pos;
	//依次前移
	while (it < end()) {
		*it = *(it + 1);
		it++;
	}
	_finish--;

}
//尾删
void pop_back() {
	erease(size());
			
}
size_t find(T val = T()) 
{
	//依次寻找
	for (iterator it = _start; it < _finish;it++) {
		if (*it == val) return it - _start;
	}
	return -1;
}

操作符重载

vector容器最重要的操作符应该就是[ ]操作了吧，此外重载一个 = ：

//提供常量与非常量
T& operator[](size_t n) { assert(n >= 0); assert(n < size()); return *(_start + n); }
const T& operator[](size_t n) const { assert(n >= 0); assert(n < size()); return *(_start + n); }
//类似拷贝
vector<T>& operator=(vector<T>& v){

	T* tmp = new T[v.capacity()];
	memcpy(tmp, v._start, v.size() * sizeof(T));
	size_t pos = v.size();
	size_t n = v.capacity();

	_start = tmp;
	_finish = _start + pos;
	_end = _start + capacity();

	return *this;
}

这样就完成了：我们进行一个测试来看看是否可行：

void vector_test2() {
	cout << "---------resize find insert erase测试---------\n";
	
	vector<int> v1;

	v1.push_back(1);
	v1.push_back(2);
	v1.push_back(3);
	v1.push_back(4);
	v1.push_back(5);
	v1.push_back(6);
	print_vector(v1);
	cout << v1.find(2) << endl;

	v1.resize(10, 0);
	print_vector(v1);
	v1.insert(0, 0);
	print_vector(v1);
	v1.erease(5);
	print_vector(v1);
	
}

来看效果：

成功！！！

swap函数

接下来在提供一个swap 函数以供交换，注意一定是深拷贝！！！

		void swap(vector& v) {

			T* tmp = new T[v.capacity()];
			memcpy(tmp, v._start, v.size() * sizeof(T));
			size_t pos = v.size();
			size_t n = v.capacity();

			v._start = _start;
			v._finish = _finish;
			v._end = _end;

			_start = tmp;
			_finish = _start + pos;
			_end = _start + capacity();


		}

来进行一个简单测试：

//交换测试
void vector_test3() {
	cout << "---------swap 测试---------\n";
	vector<int> v1;

	v1.push_back(1);
	v1.push_back(2);
	v1.push_back(3);
	v1.push_back(4);
	v1.push_back(5);
	v1.push_back(6);
	print_vector(v1);
	vector<int> v2(4);

	v2.push_back(1);
	v2.push_back(3);
	v2.push_back(1);
	v2.push_back(4);
	print_vector(v2);
	v2.swap(v1);

	print_vector(v1);
	print_vector(v2);

}

来看效果：

成功交换！！！

总结

我们初步完成了对vector 的模拟实现，但是依然有问题，比如不支持string等特殊类型。所以下一篇文章我们来一起完善一下。

Thanks♪(･ω･)ﾉ谢谢阅读！！！

下一篇文章见！！！

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原始发表：2024-03-22，如有侵权请联系 cloudcommunity@tencent.com 删除

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