C++ 初阶vecotr底层框架模拟实现

Posted 2021-12-12 SuchABigBug

目录

• 一、前言
• 二、vecotr框架搭建
• • 1. vector介绍
  • 2. 框架
  • 3. 构造函数
  • 4. 拷贝构造
  • 5. 赋值重载
  • 6. 迭代器函数
  • 7. size和capacity
  • 8. 扩容
  • 9. pushback和popback
  • 10. 插入和删除指定位置数据
  • 11. 通过下标访问
• 三、完整代码

一、前言

vector源代码看了一下过于复杂，这里取其精华把大体的框架和重要函数罗列出来并分析实现

---

二、vecotr框架搭建

在实现vector前需要弄明白这幅图，与string相似也会记录size和capacity的大小
在这个数组中，有三个指针分别指向起始位置start，数据结束位置finish以及空间容量的末尾end_of_storage位置，剩余空间备用，如果增加的数据超过capacity，则需要进行增容

1. vector介绍

1. vector是大小可变的数组序列容器

2. 和数组一样，空间上是连续存储

3. 使用动态分配数组存储元素；增容时，并不会每次都重新分配大小，而是分配一些额外的空间以适应可能的增长(finish和endofstorage之间)。
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。

4. 与其它动态序列容器相比（deques, lists and forward_lists）， 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lists和forward_lists统一的迭代器和引用更好。

2. 框架

下面为vector的大体框架，和顺序表也很类似实现了增删查改

namespace vectorSimu{
    template<class T>
    class vector{
        public:
            typedef T* iterator;
            iterator begin();
            iterator end();

            //默认成员函数
            vector();
            vecotr(size_t n, const T& val);
            vector(const vector<T>& val); //拷贝构造

            //大小和rongliang
            size_t size();
            size_t capacity();

            //扩容
            void reserve(size_t n);
            void resize(size_t n, const T& val = T());

            //读取容器信息
            T& operator[](size_t pos);

            //修改与删除
            void push_back(const T& val);
            void pop_back();
            void insert(iterator pos, const T& val);
            iterator erase(iterator pos);
            void swap(vector<T>& v);

            //析构
            ~vector();
        private:
            iterator _start;
            iterator _finish;
            iterator _endofstorage;
    };
}

3. 构造函数

构造一个不带参的函数，将其成员置为nullptr

vector()
: _start(nullptr)
, _finish(nullptr)
, _endofstorage(nullptr)
{}

带参构造，调用可支持初始为T类型的n个这样的val，先去调用reserve以此判断n是否超出当前的容量，如果超出则重新分配一组n个大小的空间

vector(size_t n, const T& val = T())
    :_start(nullptr)
    ,_finish(nullptr)
    ,_endofstorage(nullptr)
{
    reserve(n);
    //判断n是否超出capacity
    reserve(n);
    for(int i=0; i<n; ++i){
        push_back(val);
    }
}

我们也可以利用区间迭代器进行构造，将数据尾插

//类模版到成员函数，还可以再定义模版参数
template <class InputIterator>
vector(InputIterator first, InputIterator last){
    while(first != last){
        push_back(*first);
        ++first;
    }
}

4. 拷贝构造

传统写法方式一：

vector(const vector<T>& v){
    _start = new T[v.capacity()];
    memcpy(_start, v._start, sizeof(T)*v.size());
    _finish = _start + v.size();
    _endofstorage = _start + v.capacity();
}

传统写法方式二：

vector(const vector<T>& v)
	: _start(nullptr)
	, _finish(nullptr)
	, _endofstorage(nullptr)
{
   reserve(v.capacity());
   for(const auto& e: v){
       push_back(e);
   }
}

深拷贝的现代写法，和上面的传统写法有所不同，传统写法是直接开一组新空间，然后将原来存储的数据放入新空间，而现代写法是通过拷贝构造给临时变量后进行交换

vector(const vector<T>& v)
: _start(nullptr)
, _finish(nullptr)
, _endofstorage(nullptr)
{
    vector<T> tmp(v.begin(), v.end());
    this->swap(tmp);
}

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

5. 赋值重载

传统写法，此方法和拷贝构造的效果是一样的

vector<T>& operator=(const vector<T>& v){
    if(this != &v){
        delete [] _start;
        _start = _finish = _endofstorage = nullptr;

        reserve(v.capacity());
        for(const auto& e:v){
            push_back(e);
        }
    }
    return *this;
}

现代写法，利用形参进行了一次拷贝，然后this类和拷贝的类进行交换

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

6. 迭代器函数

其实迭代器的begin就是封装了此类型的首地址，end对应类型的末尾

typedef T* iterator;
iterator begin(){
    return _start;
}

iterator end(){
    return _finish;
}

7. size和capacity

这个也比较简单，把地址做一下运算就可以得出来

size_t size(){
    return _finish - _start;
}

//总的容量大小
size_t capacity(){
    return _endofstorage - _start;
}

8. 扩容

当我们pushback信息到vector时需要判断需不需要增容，如果大于当前容器，那么新开一组空间，将原空间释放即可

void reserve(size_t n){
    if(n>capacity()){
        size_t sz = size();
        T* tmp = new T[n];
        if(_start){ //如果开头不为空
            for(size_t i=0; i<sz; ++i){
                tmp[i] = _start[i];
            }
            delete[] _start; //释放原容器数据
        }
        _start = tmp;
        _finish = _start + sz;
        _endofstorage = _start + n;
    }
}

重新分配大小需要考虑三种情况
第一种情况当重新分配的大小小于size，也就是首地址到N的位置，剩余的进行裁剪
第二种情况，当N大于当前容量需要重新reserve()新的空间，并初始化为给定的val值
第三种情况，当N小于当前容量又比size大，剩余的补为给定的val值

void resize(size_t n, const T& val = T()){
   
   if(n < size()){
       _finish = _start + n;
   }else{
       if(n > capacity()){
           reserve(n);
       }
       while(_finish < n + _start){
           *_finish = val;
           ++_finish;
       }
   }
}

9. pushback和popback

这里需要注意，首次push需要判断finish指针是否和容量指针在同一个位置，那么就需要进行扩容了

//修改与删除
 void push_back(const T& val){
     if(_finish == _endofstorage){
         size_t newcapacity = capacity()==0 ? 4 : capacity() * 2;
         reserve(newcapacity);
     }
     *_finish = val;
     _finish++;
}

pop数据也比较简单，直接将finish指针向前移动

void pop_back()
{
	assert(!empty());
	--_finish;
}

10. 插入和删除指定位置数据

插入前需要判断pos是否在start和finish之间，否则报错
插入数据前需要判断容量是否足够
在中间插入数据时，pos后面的数据都需要依次向后挪动，此算法效率不高，所以不推荐用

iterator insert(iterator pos, const T& val){
    assert(pos >= _start && pos<=_finish);
    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 = val;
    ++_finish;
    
    return pos;
}

将pos以后的数据都去掉

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

11. 通过下标访问

//读取容器信息
T& operator[](size_t pos){
    assert(pos < size());
    return _start[pos];
}

Test进行验证

三、完整代码

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