C++ STL vector的模拟实现

1. vector的介绍和使用

• 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（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。

更为详细的可以查看vector文档介绍。

2. vector的模拟实现

vector的嵌套型别定义

typedef _Ty         value_type;
typedef value_type* iterator;
typedef value_type& reference;
typedef size_t      size_type;

vector的成员变量

private:
        iterator _start;
        iterator _last;
        iterator _end;

2.1 vector构造函数和拷贝构造函数

vector():_start(nullptr),_last(nullptr),_end(nullptr)
{}
vector(size_type n,const _Ty& value):_start(nullptr),_last(nullptr),_end(nullptr)
{
     insert(n,value);
}
vector(iterator f,iterator l):_start(nullptr),_last(nullptr),_end(nullptr)
{
     insert(f,l);
}
vector(const vector<int>& iv)
{
        reserve(iv.capacity());
        iterator it = begin();
        iterator vit = iv.end();
        while (vit != iv.begin())
        {
              *it++ = *vit--;
        }
}

2.2 insert函数和eraser函数

iterator insert(iterator pos,const _Ty& value)
{
    //1.当size()==capacity()时，表明vector已满，再进行插入前需要进行扩容
    if(size()== capacity())
    {
        size_type oldpos = pos - begin();
        //这里需要防止一种情况：若vector为空的时候，他的capacity为0，这个时候给他直接扩容2倍是行不通的，
        //因为2*0 = 0，因此就需要进行判断
        size_type newcapacity = (capacity() == 0)? 1 : 2*capacity();

        reserve(newcapacity);

        //这里空间发生了变化，pos迭代器会失效，因此需要重新对pos进行设置
        //reserve不会使vector的成员变量失效
        pos = begin() + oldpos;
    }
    //2.当size() < capacity()时，表明vector未满，插入直接在pos的位置进行插入
    //需要注意的是插入是在pos指向的位置进行插入，并且插入需要挪动数据，
    //将pos位置之后的数据全部向后挪动一个,为防止元素被改写，则需要从后向前进行挪动
    iterator tail = _last;
    while(tail > pos)
    {
        *tail = *(tail-1);
        --tail;
    }
    //这里要注意的是挪动数据时，因为没有对pos位置进行操作，所以pos位置的迭代器并没有失效，
    //但是pos位置之后的迭代器全部失效了，但在这里并没有关系，我们并不会用到那些迭代器
    *pos = value;

    //插入完之后，一定要对_last指针+1，因为全部向后挪动了一个元素
    ++_last;

    return pos;
}

void insert(size_type n,const _Ty& value)
{
    for(int i = 0;i < n; ++i)
    {
        insert(end(),value);
    }
}
void insert(iterator f,iterator l)
{
    while(f!=l)
    {
        insert(end(),*f);
        ++f;
    }
}

iterator erase(iterator pos)
{
    assert(pos >= _start || pos < _last);
    //1.删除pos位置的元素，就是将[pos,end()]这个区间向前挪动一个即可
    iterator it = pos + 1;
    while(it != _last)
    {
        *(it-1) = *(it);
        ++it;
    }

    --_last;
    return pos;
}

2.3 reserve函数和resize函数

void reserve(size_type n)
{
    //若 n 的值大于vector的容量，则开辟空间
    //若 n 的值小于等于，则不进行任何操作
    if(n > capacity())
    {
        //1.新开辟一个空间
        size_type oldSize = size();
        _Ty* newVector = new _Ty[n];
        //2.将原空间的数值赋值到新空间
        if(_start)
        {
            //注意：这里不能使用memcpy,因为memcpy是一个浅拷贝。
            //memcpy(newVector,_start,sizeof(_Ty)*size());
            for(size_type i = 0; i < oldSize; ++i)
            {
                newVector[i] = _start[i];
            }
        }
        //3.改变三个指针的指向
        //这里直接重新给三个成员进行赋值，所以调用reserve()函数不用担心迭代器失效的问题
        _start = newVector;
        _last = _start + oldSize;
        _end = _start + n;
    }
}

void resize(size_type n,const _Ty& value = _Ty())
{
    //1.如果n的值小于等于size()的时候，则只需要将_last的指针往前移动即可
    if(n <= size())
    {
        _last = _start + n;
        return;
    }
    //2.如果n的值大于capacity()的时候，则需调用reserve()函数，重新设置容量大小
    if(n > capacity())
    {
        reserve(n);
    }
    //若当n的值大于size()而小于capacity()的时候，只需将_last的指针往后移即可

    iterator it = _last;
    _last = _start + n;

    while(it != _last)
    {
        *it = value;
        ++it;
    }
    //resize()函数也不需要担心迭代器失效的问题
}

2.4 push_back函数和pop_back函数

void push_back(const _Ty& value)
{
    insert(end(),value);
}
void pop_back()
{
    erase(end()-1);
}

2.5 begin函数和end函数

iterator begin()const
{
    return _start;
}
iterator end() const
{
    return _last;
}

2.6 size函数、capacity函数

size_type size()
{
    return end()-begin();
}
size_type capacity()const
{
    return _end-begin();
}

2.7 empty函数和operator[]重载

bool empty()const
{
    return end() == begin();
}

reference operator[](size_type n)
{
    return *(begin() + n);
}

2.8 完整代码和相应测试

#include <iostream>
#include <assert.h>

using namespace std;

namespace mytest{
    template<class _Ty>
    class vector
    {
        public:
            typedef _Ty         value_type;
            typedef value_type* iterator;
            typedef value_type& reference;
            typedef size_t      size_type;
        public:
            iterator begin()const
            {
                return _start;
            }
            iterator end() const
            {
                return _last;
            }
            size_type size()
            {
                return end()-begin();
            }
            size_type capacity()const
            {
                return _end-begin();
            }
            bool empty()const
            {
                return end() == begin();
            }
            reference operator[](size_type n)
            {
               return *(begin() + n);
            }

        public:
            vector():_start(nullptr),_last(nullptr),_end(nullptr)
            {}
            vector(size_type n,const _Ty& value):_start(nullptr),_last(nullptr),_end(nullptr)
            {
                insert(n,value);
            }
            vector(iterator f,iterator l):_start(nullptr),_last(nullptr),_end(nullptr)
            {
                insert(f,l);
            }
            vector(const vector<int>& iv)
            {
                reserve(iv.capacity());
                iterator it = begin();
                iterator vit = iv.end();
                while (vit != iv.begin())
                {
                    *it++ = *vit--;
                }
            }
        public:
            void reserve(size_type n)
            {
                //若 n 的值大于vector的容量，则开辟空间
                //若 n 的值小于等于，则不进行任何操作
                if(n > capacity())
                {
                    //1.新开辟一个空间
                    size_type oldSize = size();
                    _Ty* newVector = new _Ty[n];
                    //2.将原空间的数值赋值到新空间
                    if(_start)
                    {
                        //注意：这里不能使用memcpy,因为memcpy是一个浅拷贝。
                        //memcpy(newVector,_start,sizeof(_Ty)*size());
                        for(size_type i = 0; i < oldSize; ++i)
                        {
                            newVector[i] = _start[i];
                        }
                    }
                    //3.改变三个指针的指向
                    //这里直接重新给三个成员进行赋值，所以调用reserve()函数不用担心迭代器失效的问题
                    _start = newVector;
                    _last = _start + oldSize;
                    _end = _start + n;
                }
            }

            void resize(size_type n,const _Ty& value = _Ty())
            {
                //1.如果n的值小于等于size()的时候，则只需要将_last的指针往前移动即可
                if(n <= size())
                {
                    _last = _start + n;
                    return;
                }
                //2.如果n的值大于capacity()的时候，则需调用reserve()函数，重新设置容量大小
                if(n > capacity())
                {
                    reserve(n);
                }
                //若当n的值大于size()而小于capacity()的时候，只需将_last的指针往后移即可

                iterator it = _last;
                _last = _start + n;

                while(it != _last)
                {
                    *it = value;
                    ++it;
                }
                //resize()函数也不需要担心迭代器失效的问题
            }

            void push_back(const _Ty& value)
            {
                insert(end(),value);
            }
            void pop_back()
            {
                erase(end()-1);
            }

            iterator insert(iterator pos,const _Ty& value)
            {
                //1.当size()==capacity()时，表明vector已满，再进行插入前需要进行扩容
                if(size()== capacity())
                {
                    size_type oldpos = pos - begin();
                    //这里需要防止一种情况：若vector为空的时候，他的capacity为0，
                    //这个时候给他直接扩容2倍是行不通的，因为2*0 = 0，因此就需要进行判断
                    size_type newcapacity = (capacity() == 0)? 1 : 2*capacity();

                    reserve(newcapacity);

                    //这里空间发生了变化，pos迭代器会失效，因此需要重新对pos进行设置
                    //reserve不会使vector的成员变量失效
                    pos = begin() + oldpos;
                }
                //2.当size() < capacity()时，表明vector未满，插入直接在pos的位置进行插入
                //需要注意的是插入是在pos指向的位置进行插入，并且插入需要挪动数据，
                //将pos位置之后的数据全部向后挪动一个,为防止元素被改写，则需要从后向前进行挪动
                iterator tail = _last;
                while(tail > pos)
                {
                    *tail = *(tail-1);
                    --tail;
                }
                //这里要注意的是挪动数据时，因为没有对pos位置进行操作，所以pos位置的迭代器并没有失效，
                //但是pos位置之后的迭代器全部失效了，但在这里并没有关系，我们并不会用到那些迭代器
               *pos = value;

               //插入完之后，一定要对_last指针+1，因为全部向后挪动了一个元素
               ++_last;

               return pos;
            }

            void insert(size_type n,const _Ty& value)
            {
                for(int i = 0;i < n; ++i)
                {
                    insert(end(),value);
                }
            }
            void insert(iterator f,iterator l)
            {
                while(f!=l)
                {
                    insert(end(),*f);
                    ++f;
                }
            }

            iterator erase(iterator pos)
            {
                assert(pos >= _start || pos < _last);
                //1.删除pos位置的元素，就是将[pos,end()]这个区间向前挪动一个即可
                iterator it = pos + 1;
                while(it != _last)
                {
                    *(it-1) = *(it);
                    ++it;
                }

                --_last;
                return pos;

            }

        private:
            iterator _start;
            iterator _last;
            iterator _end;
    };

};

void Test1()
{
    mytest::vector<int> iv;

    cout << "iv.size() = " << iv.size() << endl;
    cout << "iv.capacity() = " << iv.capacity() << endl;
    iv.push_back(1);
    iv.push_back(2);
    iv.push_back(3);
    iv.push_back(4);
    cout << "iv.size() = " << iv.size() << endl;
    cout << "iv.capacity() = " << iv.capacity() << endl;

    mytest::vector<int>::iterator it = iv.begin();

    while(it != iv.end())
    {
        cout << *it << " ";
        ++it;
    }
    cout << endl;
    iv.pop_back();
    iv.pop_back();
    it = iv.begin();
    while(it != iv.end())
    {
        cout << *it << " ";
        ++it;
    }
    cout << endl;

}

void Test2()
{
    mytest::vector<int> iv(10,2);
    mytest::vector<int>::iterator it = iv.begin();
    while(it != iv.end())
    {
        cout << *it << " ";
        ++it;
    }
    cout << endl;
}

void Test3()
{
    int ar[] = {1,2,3,3,4,5};
    mytest::vector<int> iv(ar,ar+6);
    mytest::vector<int>::iterator it = iv.begin();
    while(it != iv.end())
    {
        cout << *it << " ";
        ++it;
    }
    cout << endl;

}
int main()
{
//    Test1();
//    Test2();
    Test3();
    return 0;
}

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