vector的基本使用和模拟实现

一、std::vector基本介绍

1.1 常用接口说明

std::vector是STL中的一个动态数组容器，它可以自动调整大小，支持在数组末尾快速添加和删除元素，还支持随机访问元素。

以下是std::vector常用的接口及其说明：

1. push_back(): 在容器末尾添加元素

std::vector<int> vec{1, 2, 3};
vec.push_back(4);

2. pop_back(): 删除容器末尾的元素

std::vector<int> vec{1, 2, 3};
vec.pop_back();

3. size(): 返回容器中元素的个数

std::vector<int> vec{1, 2, 3};
std::cout << vec.size() << std::endl; //输出3

4. empty(): 判断容器是否为空

5. reserve(): 分配容器的内部存储空间，但不改变元素个数

std::vector<int> vec{1, 2, 3};
vec.reserve(10);	// 分配10个int大小的空间

其中的reserve接口，你说是分配容器空间，这是在堆上还是栈上开辟空间？那如果重新分配的空间比现有空间小，会发生什么？以及重新分配的空间大于现有空间，是在现有的基础上直接扩容，还是舍弃现有空间，将现有数据拷贝到新的空间上？

新分配的内存空间位于堆上。如果重新分配的空间比现有空间小，std::vector 会舍弃多余的元素。如果新分配的空间比现有空间大，std::vector 会重新分配内存，并将原有数据复制到新的内存空间中。

需要注意的是，重新分配内存并将原有数据复制到新的内存空间中，可能会导致性能问题。因此，如果您能够预估存储的数据量，建议在创建 std::vector 时就预分配足够的内存空间，以避免频繁地重新分配内存。

6. resize(): 改变容器的元素个数

std::vector<int> vec{1, 2, 3};
vec.resize(5);

7. clear(): 删除容器中的所有元素

8. at(): 返回指定位置的元素

std::vector<int> vec{1, 2, 3};
std::cout << vec.at(1) << std::endl; //输出2

9. front(): 返回容器中第一个元素

10. back(): 返回容器中最后一个元素

11. begin(): 返回指向容器中第一个元素的迭代器，end(): 返回指向容器中最后一个元素之后位置的迭代器

std::vector<int> vec{1, 2, 3};
for (auto it = vec.begin(); it != vec.end(); ++it) {std::cout << *it << " ";
}

12. reverse()：反转vector

std::vector::reverse 不是重新分配容器空间的接口，它是用于反转容器中元素的顺序。也就是将容器中第一个元素和最后一个元素交换，第二个元素和倒数第二个元素交换，以此类推。

1.2 代码示例

1.2.1 遍历vector的几种方式

以下示例中分别提到了:下标+[], 迭代器, 范围for, 反向迭代器

void test_vector1()
{vector<int> v;v.push_back(1);v.push_back(2);v.push_back(3);v.push_back(4);v.push_back(5);for (size_t i = 0; i < v.size(); i++)		//1、下标+[]{cout << v[i] << " ";}vector<int>::iterator it = v.begin();		//2、迭代器while (it != v.end()){cout << *it << " ";it++;}for (auto e : v)			//3、范围for{cout << e << " ";}vector<int>::reverse_iterator rit = v.rbegin();	// 4、反向迭代器while (rit != v.rend()){cout << *rit << " ";rit++;}// 5 4 3 2 1
}

不难发现，用范围for访问的元素可以直接输出，而通过for循环，从v.begin()开始的迭代器it，却需要解引用。这是因为，在范围for循环中，迭代器是被自动解引用的。

在范围for循环中，循环变量的类型是根据容器元素的类型自动推导出来的，而不是容器的迭代器类型。对于std::vector<int>容器，其元素类型是int，因此在范围for循环中，循环变量的类型是int，而不是std::vector<int>::iterator。

1.2.2 使用迭代器区间构造对象

vector<int> v2(++v.begin(), --v.end());		//利用迭代器区间构造对象————区间左闭右开 
// 2 3 4
string s("hello world");
vector<char> v3(s.begin(), s.end());		//其它容器的迭代器只要类型匹配同样适用vector<int> v4;
v4.assign(s.begin(), s.end());				//assign接口类似————中文意思为分配

以上示例中，提到了利用迭代器区间构建对象这种方式是左闭右开的，例如：(v.begin() + 1, v.begin() + 4)，这代表下标为[2, 5)的元素。

只要迭代器的类型与vector所存储的元素类型相同，就可以使用迭代器区间构建新的vector对象。例如上面提到的char类型的vector和char类型的string是可以匹配的。

1.2.3 vector的初始化

void test_vector2()
{vector<int> v;v.reserve(10);//开空间改变容量，但不初始化//错误访问——————下标引用操作符会检查插入位置是否合法，即小于_size//for (size_t i = 0; i < 10; i++)//{//	v[i] = i;//}//正确访问for (size_t i = 0; i < 10; i++){v.push_back(i);}v.resize(20);//开空间+初始化
}

上述示例中，提到了我在OJ题中经常弄糊涂的内容，使用reserve进行初始化是最好的，因为不会像resize那样，擅自向vector中填入值，但使用后记得不要使用下标引用操作符去访问，而是使用push_back

1.2.4 insert\查找\排序

void test_vector3()
{int a[] = { 1,2,3,4,5 };vector<int> v(a, a + 5);//头插v.insert(v.begin(), 0);			//第一个参数传入的是迭代器//在2前面插入vector<int>::iterator pos = find(v.begin(), v.end(), 2);		//find函数位于算法库中algorithmif (pos != v.end())		//查找失败会返回end位置的迭代器{v.insert(pos, 20);}// 0 1 20 2 3 4 5  //sort排序sort(v.begin(), v.end());	// 0 1 2 3 4 5 20 sort(v.begin(), v.end(), greater<int>());		//greater<int>是一个仿函数类，需要调用库函数是functional// 20 5 4 3 2 1 0
}

上述例子注释写得很清楚，印象最深的是二叉树后序遍历可以巧用头插获取返回结果。下面主要讲解sort的第三个参数：

sort函数的第三个参数是可选的比较函数，用于指定排序时的元素比较规则。当不指定比较函数时，默认使用小于号进行比较，即升序。

在sort(v.begin(), v.end(), greater<int>())中，greater<int>()是一个函数对象，用于指定降序排序的比较规则。greater<int>()是一个模板类，它重载了函数调用运算符operator()，实现了比较规则。对于两个元素x和y，如果greater<int>()(x, y)返回true，则x会被排在y之前。

因此，sort(v.begin(), v.end(), greater<int>())实现了对容器v进行降序排序的操作，greater<int>()是用于指定比较规则的函数对象，它实现了元素的比较运算。

下面是一个简单的实现：

template<typename T>
struct greater
{bool operator()(const T& x, const T& y) const{return x > y;}
};

这个定义了一个模板类greater，它有一个函数调用运算符operator()。operator()接受两个参数x和y，表示要比较的两个元素，它的返回值是一个bool类型，表示x是否应该排在y之前。在这个实现中，operator()的比较规则是x大于y，即从大到小排序。

1.2.5 erase删除

void test_vector4()
{int a[] = { 1,2,3,4,5 };vector<int> v(a, a + 5);//头删v.erase(v.begin());		//参数传入下标位置的迭代器，或迭代器区间//删除2vector<int>::iterator pos = find(v.begin(), v.end(), 2);if (pos != v.end()){v.erase(pos);}
}

上述例子中主要写了erase的使用方式，参数是一个vector的迭代器。

二、vector模拟实现

这个 vector 类中包含了：构造函数、拷贝构造、使用迭代器区间初始化的构造函数、析构。

实现了普通迭代器和只读迭代器，及其对应的begin()和end()函数。

这个类中的成员变量为私有类型的普通迭代器类型的。记录了vector开始位置、最后一个数据的下一个位置、最大容量的下一个位置。

size()和capacity()能返回容器的元素个数和已开辟空间大小。

reserve()用于为容器重新分配空间，如果分配的空间小于现有空间容量，则不处理。否则，会重新分配空间，拷贝现有数据到新空间，并修改成员变量。

insert()用于向容器中插入元素，插入时需要将所在位置及其以后的元素全部向后移动，移动时是从后往前。

erase()用于删除某个元素，参数为要删除元素的迭代器。删除后还需要从前往后开始，逐一将元素向前移动。

resize()用于调整空间大小，并将未初始化的位置赋予指定的值。当调整的空间小于现有元素个数，会舍弃掉多出的元素。当调整的大小介于元素个数和有效空间之间时，会初始化这些多出来的部分。当调整的大小大于有效空间时，会重新开辟空间，并将现有数据拷贝过去，然后初始化多余部分。

其他接口比较简单，就不再单独描述。

	template<class T>class vector{public:typedef T* iterator;typedef const T* const_iterator;vector():_start(nullptr),_finish(nullptr),_endofstorage(nullptr){}vector(const vector<T>& v):_start(nullptr), _finish(nullptr), _endofstorage(nullptr){reserve(v.capacity());for (const auto e : v) {push_back(e);}}template <class InputIterator>vector(InputIterator first, InputIterator last):_start(nullptr), _finish(nullptr), _endofstorage(nullptr){while (first != last) {push_back(*first);first++;}}~vector() {delete[] _start;_start = _finish = _endofstorage = nullptr;}iterator begin() {return _start;}iterator end() {return _finish;}const_iterator begin()const {return _start;}const_iterator end()const {return _finish;}size_t capacity() const{return _endofstorage - _start;}size_t size() const{return _finish - _start;}void reserve(size_t num) {if (num > capacity()) {size_t sz = size();T* tmp = new T[num];memcpy(tmp, _start, sz * sizeof(T));_start = tmp;_finish = _start + sz;_endofstorage = _start + num;}}iterator insert(iterator pos, const T& num){assert(pos >= begin() && pos <= end());if (_finish == _endofstorage) {size_t len = pos - _start;size_t newcapacity = capacity() == 0 ? 4 : capacity() * 2;reserve(newcapacity);pos = _start + len;}iterator end = _finish - 1;while (end >= pos) {*(end + 1) = *end;end--;}*pos = num;_finish++;return pos;}iterator erase(iterator pos) {assert(pos >= begin() && pos < end());//删除指定下标的数据，并把其后的数据依次向前挪动iterator it = pos + 1;while (it != end()){*(it - 1) = *it;it++;}--_finish;return pos;}void push_back(const T& num){insert(end(), num);}T& operator[](size_t i) {assert(i < size());return *(_start + i);}void swap(vector<T>& v) {std::swap(v._start, _start);std::swap(v._finish, _finish);std::swap(v._endofstorage, _endofstorage);}vector<T>& operator=(vector<T> v) {swap(v);return *this;}void resize(size_t n, const T& val = T()) {//开的空间小于size（把超出范围的舍弃）介于size和capacity（初始化_finish以后的空间）//大于capacity（要重新开空间，并且初始化_finish以后的空间）if (n <= size()){_finish = _start + n;}else{if (n > capacity()){reserve(n);}while (_finish < _start + n) {*_finish = val;_finish++;}}}private:iterator _start;iterator _finish;iterator _endofstorage;};

三、reverse浅拷贝Bug

不难发现，在上述模拟实现的vector::reverse()中，如果模版类型T为std::string，那string中含有一些指针成员变量，通过memcpy将其浅拷贝到新空间后，又进行了一次delete，在生命周期结束时，也会进行delete，就会造成崩溃。

3.1 解决方案

既然要销毁原有空间，那为何不通过std::move将左值转换为右值，然后拷贝到新空间去。

下面通过伪代码进行举例：

template <typename T>
void MyVector<T>::reserve(size_t newCapacity)
{if (newCapacity <= m_capacity)return;T* newData = new T[newCapacity];for (size_t i = 0; i < m_size; i++){newData[i] = std::move(m_data[i]); // 深复制}delete[] m_data;m_data = newData;m_capacity = newCapacity;
}

上述代码没有考虑使用迭代器成员变量，容量和有效数据数量均为size_t类型，数据类型为T*

在这个实现中，我们使用了 std::move 函数将 m_data[i] 的内容移动到 newData[i] 中，从而进行深复制，避免了多个 std::string 对象共享同一块内存空间的问题。同时，在析构函数中也只需要简单地使用 delete[] 删除 m_data 指向的内存即可。

3.2 move函数

std::move 是一个 C++11 中引入的函数，它能够将一个对象的值转移到另一个对象中，同时将原对象置于一种“移动状态”，从而避免不必要的对象复制和销毁。

std::move 本质上是将一个左值引用转换成右值引用。在 C++ 中，左值引用是指向左值的引用，右值引用是指向右值的引用。左值是可以取地址的、有持久性的、具名的、具有明确定义的生命周期的值，而右值则是无法取地址的、临时的、没有名称的、生命周期不确定的值。在 C++11 中，我们可以通过使用 && 运算符来声明右值引用。

具体来说，当我们调用 std::move 函数时，它将接受一个左值引用，并返回一个右值引用，表示该对象的值可以被移动。通常情况下，我们会将返回的右值引用绑定到另一个对象上，从而将原对象的值移动到新对象中。例如：

std::vector<int> v1{1, 2, 3};
std::vector<int> v2 = std::move(v1); // 将 v1 的值移动到 v2 中

需要注意的是，在使用 std::move 移动对象时，只会移动对象的值，也就是说会将对象的成员变量的值复制到新的内存位置，但不会复制对象的状态，比如对象的引用计数、对象的资源句柄等等。移动完成后，原对象的值会被置为“移后”的状态，这个状态下对象的行为是未定义的，我们不能再对其进行读取或修改。在移动一个对象之后，如果我们需要继续使用该对象，就必须重新对其进行赋值或初始化。