STL之vector学习&模拟

Posted 2022-08-27 玄鸟轩墨

写在前面

我们string已经学习的差不多了，现在开始学习vector，我们这里会发现，STL的设计很相似，我们学习了一个，这里面就很简单了，我们简单的先看一下vector的使用，今天的重点是迭代器失效的问题和深层次的拷贝问题，这才是我们的难点。

vector 使用

vector可以理解为我们之前的动态的数组,也就是顺序表.它也是一个类模板.我们先看一下简单的使用.它的第一个参数模板是一个要存储的数据类型,第二个是向内存池开辟空间,如果你觉得库里面的内存池不够高效,也可以自己写一个,然后传过去,不过这不是我们要说的.

构造函数

vector里面包含拷贝构造的的话共存在4个构造函数,我们这里一一简绍.

函数名	说明
vector ();	无参构造
vector (size_type n, const value_type& val = value_type());	构造 N 的 val的元素
vector (InputIterator first, InputIterator last);	迭代区间构造
vector (const vector& x);	拷贝构造

我们这里还是自测试两个比较常用的

int main()

  vector<int> v1;
  vector<char> v2(10,a);
  return 0;

size() && capacity()

这个也是我们经常用到的函数,没有什么可以解释的.

int main()

  vector<int> v1(20,15);
  cout << "size: " << v1.size() << endl;
  cout << "capacity: " << v1.capacity() << endl;
  return 0;

reserve()

这个函数就是开辟空间的,和string那里是一样的,规则还是一样的.

int main()

  vector<int> v1(20,15);
  v1.reserve(10);
  cout << "capacity: " << v1.capacity() << endl;

  v1.reserve(100);
  cout << "capacity: " << v1.capacity() << endl;
  return 0;

resize()

没有什么新意,还是和之前一样.

int main()

  vector<int> v1(20, 15);
  v1.resize(10, 0);
  cout << "size: " << v1.size() << endl;

  v1.resize(100, 0);
  cout << "size: " << v1.size() << endl;

  return 0;

operator[]

这个的底层是一个连续的数组,所以这里我们最好支持下标访问.

int main()

  vector<int> v1(20, 15);

  for (int i = 0; i < v1.size(); i++)
  
    cout << v1[i] << " ";
  
  cout << endl;
  return 0;

迭代器

迭代器这里分为正向迭代器和反向迭代器,而且每种都有const修饰的,这里面我们不做太多的解释,用法和之前一样.

int main()

  vector<int> v1;
  v1.push_back(1);
  v1.push_back(2);
  v1.push_back(3);
  v1.push_back(4);
  v1.push_back(5);
  vector<int>::iterator it = v1.begin();
  while (it != v1.end())
  
    cout << *it << " ";
    it++;
  
  cout << endl;
  return 0;

push_back()

尾插一个数据,在尾部插入一个数据.

int main()

  vector<int> v1;
  v1.push_back(1);
  v1.push_back(2);
  v1.push_back(3);
  v1.push_back(4);
  v1.push_back(5);
  for (int i = 0; i < v1.size(); i++)
  
    cout << v1[i] << " ";
  
  cout << endl;
  return 0;

vector 实现

好了,总算是过了上面的认识阶段了,主要是我们没有什么可以说的,它和string几乎一摸一样,这还用说?现在我们要看的是他们的实现,这才是有意思的.

我们先来推一波vector的底层,应该会有一个size和一个capacity记录有效数据和容量,还应该有一个数组,来存放数据.我想这个应该没有什么可以质疑的,我们看看SGI版的的实现,它里面就存放了三个指针(typedef过的),这种方法也是可以的,而且还比我们的简便一些,就用这个来实现吧.

我们画一下它的物理图,这样大家可以好理解一点.

vector

现在我们就可以把框架搭出来了,我们搭个简便的.

template<class T>
class Vector

public:
  typedef T* iterator; // 原生指针
  typedef const T* const_iterator;

  Vector()
    :_start(nullptr)
    , _finish(nullptr)
    , _endOfStoage(nullptr)
  
  
private:
  iterator _start;
  iterator  _finish;
  iterator _endOfStoage;

迭代器

vector和string是一样的,它们都是原生指针,所以这里面我们可以直接用.

iterator begin()

    return _start;


const_iterator begin() const

    return _start;


iterator end()

    return _finish;


const_iterator end() const

    return _finish;

size() && capacity()

这个实现的就更加简单了,我们知道,指针减指针可以得到数据的个数,这里也适用.我们在这就直接用吧。

size_t size() const 

    return _finish - _start;


//  计算 容量

size_t capacity() const 

    return _endOfStoage - _start;

operator[]

既然vector的物理地址是连续的,那么我们最好支持operator[]随机访问,这里面是在是太简单了.

T& operator[](size_t pos)

    assert(pos >= 0 && pos < size());
    return *(_start+pos);

const T& operator[](size_t pos) const

    assert(pos >= 0 && pos < size());
    return *(_start+pos);

reserve()

这个是去扩容放热函数,但是这里面可以存在一个很重要的问题,跟深层次的深浅拷贝问题,这是我们今天博客最主要的内容之一,后面我们会一一分享的.

void reserve(size_t n = 0)

    size_t oldsize = size();

    if(n > capacity())
    
        // 开一块空间
        T* tmp = new T[n];
        // 判断  原本空间有没有 数据
        if(_start)
        
            memcpy(tmp,_start,size()*sizeof(T));
            delete[] _start;
        

        _start = tmp;
        _finish = tmp + oldsize;
        _endOfStoage = tmp + n;
    

resize()

这个函数是调整_size的的大小的.我们这里还是只实现一种情况.

void resize(size_t n,const T& val = T())

    // 三种 情况
    reserve(n);

    if(n > size())
    
        while(size() < n)
        
            // 
            *_finish = val;
            _finish++;
        
    
    else 
    
        _finish = _start + n;
    

insert()

这个是在一个地址插入一个元素,我们默认插入在元素的前面,这里面存在迭代器失效的问题.

iterator insert(iterator pos, const T& x)

    assert(pos >= _start && pos <= _finish);
    if(_finish == _endOfStoage)
    
        size_t len = pos - _start; // 记录 防止失效
        size_t newCap = _endOfStoage - _start == 0 ? 4 : 2 * capacity();
        reserve(newCap);
        // 更新 pos 解决了一部分迭代器失效问题
        pos = _start + len;
    
    //  开始  插入数据
    iterator it = _finish;
    while(it != pos)
    
        *it = *(it - 1);
        it--;
    
    *pos = x;
    _finish++;
    return pos;

push_back()

复用insert函数就可以了.

void push_back(const T& val)

    insert(_finish,val);

erase()

这个时间复杂度可是达到了O(N),确实有点高,不过也没有办法.

iterator erase(iterator pos)

    assert(pos >= _start && pos < _finish);
    iterator it = pos + 1;
    while(it != _finish)
    
        *(it-1) = *it;
        it++;
    
    _finish--;
    return pos;

pop_back()

尾删的时间复杂度O(1).

void pop_back()

    if(size() != 0)   //  这里 最好不要用 空来判断  害怕clear
    
        --_finish;
    

swap

这个函数的主要作用就是为了拷贝构造等地方,我们只需要交换一下三个指针就可以了.

void swap(Vector<T>& v)    
    
    std::swap(_start, v._start);    
    std::swap(_finish, v._finish);                                                                            
    std::swap(_endOfStoage, v._endOfStoage);    

迭代器失效

现在我们来谈vector里面最难理解的问题,迭代器失效,我们需要好好的控制使用vector,避免出现错误.vector的迭代器失效大概分为三种,下面我们一一举例.

扩容导致 pos 失效

我们先来看看标准库里面的,这个还是会出现野指针的问题.

#include <iostream>
#include <vector>

using namespace std;

int main()

  vector<int> v(10,1);
  vector<int>::iterator pos = v.begin();
  int i = 0;
  while (i < 100)
  
    v.insert(pos, 2);
    i++;
  
  return 0;

我们先来看看是在哪一步出现问题了,打印一下,这里面我们发现当i等于1的时候出现了

我们需要去看看pos这里面是不是在第一次插入后失效了，VS里面有点严格。

int main()

  vector<int> v(10,1);
  vector<int>::iterator pos = v.begin();
  printf("pos : %p\\n", pos);

  int i = 0;
  while (i < 100)
  
    if (i == 1)
    
      printf("pos : %p\\n", pos);
      cout << "测试" << endl;
    
    v.insert(pos, 2);
    i++;
  
  return 0;

所以这里面我们要去看看Linux环境是如何的,不同的编译器对个的处理机制也是不一样的,这一点我们之前就知道了.

从这里我们就可以看出当我们插入了一些数据后才会发生错误,而且是在i = 10的时候,这个现象我们就可以好好解释一下迭代器失效的原因之一了.我们先来调试一下.

来说一下原因吧,我们插入数据的时候用的是迭代器,准确来说是原生指针,如果饿哦们我们要是原本的指针扩容,那么就会出现现在的事,迭代器指向内容失效了.

我们可以通过某种方法来解决一下这个insert问题,可以通过记录pos和_start的相对距离,扩容后在做相应的修改.

iterator insert(iterator pos, const T& x)

    assert(pos >= _start && pos <= _finish);
    if(_finish == _endOfStoage)
    
        size_t len = pos - _start; // 记录 防止失效
        size_t newCap = _endOfStoage - _start == 0 ? 4 : 2 * capacity();
        reserve(newCap);
        // 更新 pos 解决了一部分迭代器失效问题
        pos = _start + len;
    
    //  开始  插入数据
    //  ...
    return pos;

抱歉,你以为现在你写的就是正确的吗?看一下下面的代码.我们希望在偶数前面添加这个偶数的十倍,看看怎么样?

#include <iostream>                                                                                         #include "Vector.hpp"
using std::cout;
using std::cin;
using std::endl;

int main()

  bit::Vector<int> v;
  v.push_back(1);
  v.push_back(2);
  v.push_back(3);
  v.push_back(4);
  v.push_back(5);
  v.push_back(6);
  bit::Vector<int>::iterator it = v.begin();
  while (it != v.end())
  
    if (*it % 2 == 0)
    
      int ret = *it * 10;
      v.insert(it, ret);
    
    it++;
  

  for (int val : v)
  
    cout << val << " ";
  
  return 0;

好了,又出现问题了,看这里我们就可以发现,又出现了迭代器失效的问题,我们不是更新pos了吗?这里面还是存在些问题,我们传入的是形参,改变形参是不会影响实参的,那么我们是不是可以传入引用,是的可以,但是标准库里面可以不是怎么做的.

我们通过返回值的形式解决这个问题.

iterator insert(iterator pos, const T& x)

    assert(pos >= _start && pos <= _finish);
    //  更新 pos 解决了一部分迭代器失效问题 
    //  开始  插入数据
    //  ...
    return pos;

为何不用引用这个也是有原因的,要知道,insert支持下面的用法,临时变量具有常性,要用const修饰,那么我们还要如何修改.

返回值导致迭代器失效

如果你要是觉得现在我们的代码就可以正常运行的了,你太过天真了.运行一下你就会发现,还是存在问题的.

#include <iostream>                                                                                         #include "Vector.hpp"
using std::cout;
using std::cin;
using std::endl;

int main()

  bit::Vector<int> v;
  v.push_back(1);
  v.push_back(2);
  v.push_back(3);
  v.push_back(4);
  v.push_back(5);
  v.push_back(6);
  bit::Vector<int>::iterator it = v.begin();
  while (it != v.end())
  
    if (*it % 2 == 0)
    
      int ret = *it * 10;
      v.insert(it, ret);
    
    it++;
  

  for (int val : v)
  
    cout << val << " ";
  
  return 0;

我们现在去用一下标准库里面是不是也存在这个情况.

#include <iostream>
#include <vector>

using namespace std;
int main()

  vector<int> v;
  v.push_back(1);
  v.push_back(2);
  v.push_back(3);
  v.push_back(4);
  v.push_back(5);
  v.push_back(6);
  vector<int>::iterator it = v.begin();
  while (it != v.end())
  
    if (*it % 2 == 0)
    
      int ret = *it * 10;
      v.insert(it, ret);
    
    it++;
  
  for (int val : v)
  
    cout << val << " ";
  

  return 0;

这个也崩了,也就是说我们实现的最起码没有错误,这里面的原因是返回值的事情,我们去瞅瞅.

现在你应该就有些头绪了,我们的返回值可是新插入的迭代器,检验一下.

int main()

  vector<int> v;
  v.push_back(1);
  v.push_back(2);
  v.push_back(3);
  vector<int>::iterator it = v.begin();

  it = v.insert(it, 10);

  return 0;

也就是说我们在插入元素后需要需要移动一下迭代器,至于移动到那就是你自己控制的了.

#include <iostream>
#include <vector>

using namespace std;
int main()

  vector<int> v;
  v.push_back(1);
  v.push_back(2);
  v.push_back(3);
  v.push_back(4);
  v.push_back(5);
  v.push_back(6);
  vector<int>::iterator it = v.begin();
  while (it != v.end())
  
    if (*it % 2 == 0)
    
      int ret = *it * 10以上是关于STL之vector学习&模拟的主要内容，如果未能解决你的问题，请参考以下文章
 
 C++STL之vector的使用和实现
 C++从青铜到王者第十篇:STL之vector类的模拟实现
 c++——STL容器之vector的使用和模拟实现
 C++中STL学习笔记——容器之vector
 C++中STL学习笔记——容器之vector
 STL之vector