C++入门之vector的底层实现详解

目录

• 前言
• 定义初始结构
• 声明构造函数
• 容量有关操作
• 获取有效数据大小size()
• 获取数据容量capacity()
• 增加容量reserve()
• 重置大小resize()
• 迭代器
• 数据操作
• 尾插push_back()
• 尾删pop_back()
• 某一位置插入 insert()
• 某一位置删除 erase()
• 拷贝构造
• []访问操作
• =赋值操作
• 特别注意!!!
• 总结

前言

上一小节,我们讲解了vector的使用,也大概了解了其创建对象,增删改查数据等操作.那么今天,我们就来大致实现一下吧.

定义初始结构

在标准C++中,vector同样是一个模板,并且其底层实现用的是三个指针,然后利用这三个指针相互加减,达到存储效果.

而vector和string类似,本质是都是一个顺序表.

template <class T>
class vector
{
public:
    ~vector()
    {
        delete _start;
        _start = _finish = _end_of_storage = nullptr;
    }
private:
    T* _start;         //顺序表的头
    T* _finish;        //顺序表有效长度位置
    T* _end_of_storage; //顺序表末尾
};

声明构造函数

上一章节已经讲解,构造函数比较多,这里只是为了简单实现,所以博主就实现一个最简单的构造函数,即无参构造.

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

容量有关操作

获取有效数据大小size()

想要获取size,该怎么实现呢?我们在定义初始结构的时候,已经知道其底层是利用的三个指针,所以size等于_finish - _start.

size_t size() const    //加const是保证const对象也可以用
{
    return _finish - _start;
}

获取数据容量capacity()

同样的道理,capacity就应是_end_of_storage - _start;

size_t capacity() //加const是保证const对象也可以用
{
    return _end_of_storage - _start;
}

增加容量reserve()

我们在后面会实现一个接口,叫做push_back(),它的作用是把数据放进vector,但如果空间不足了呢?这就需要我们的增容函数reserve了.

其参数是无符号整型n,代表要开n个空间

void reserve(size_t n)
{
    if (n > capacity())
    {
        T* tmp = new T[n];               //先开辟一块空间
        size_t sz = size();              //保留原来的有效数据大小,且一定要先保存
        if (_start)        //一定要判断这个,因为最开始_start为空,那么就只需要开空间
        {
            memcpy(tmp, _start, sizeof(T) * n);  //把原来的数据拷贝进新空间
            delete _start;  //释放原来的空间
        }
        _start = tmp;                    //移交空间
        _finish = _start + sz;           //更新_finish
        _end_of_storage = _start + n;    //更新_end_of_storage
    }
}

重置大小resize()

这个想必大家现在已经比较习惯了吧?他有两个参数,会分情况讨论是否大于size()而进行参数赋值.

void resize(size_t n,const T& val = T())
{
    if(n>capacity()) reserve(n);
    for(size_t i = size();i<n;i++)
    {
        _start[i] = val;
    }
    _finish = _start + n;
}

迭代器

前面讲解string的时候说过,现阶段我们就把迭代器当做一个指针,**虽然指针一定是迭代器,但是迭代器不一定是指针.**但是目前阶段我们用到的迭代器就是一个指针,因此这里便直接定义迭代器了

typedef T* iterator;              //普通迭代器
typedef const T* const_iterator;  //const迭代器
//因此返回首尾迭代器的接口,博主便一并写下来
iterator begin() {return _start;}
iterator end() {return _finish;}        //普通接口
const_iterator begin() const {return _start;}
const_iterator end() const {return _finish;}  //const接口

数据操作

尾插push_back()

该接口的实现操作一般是先检查容量是否充足,然后把数据放进去,最后size大小加一.

void push_back(const T& val)
{
    if(size() == capacity())
    {
        size_t newcapacity = size()==0?4:capacity()*2;  //需要考虑到size是否有可能为0的情况
        reserve(newcapacity);
    }
    *_finish = val;
    _finish++;
}

尾删pop_back()

实现该接口的操作一般是先检查是否还存在数据,然后size大小减一

void pop_back()
{
    assert(size()>0);
    _finish--;
}

某一位置插入 insert()

同样的道理,一般先检查容量是否充足,如果不够,需要警惕迭代器失效问题,然后移动该位置及以后的所有数据,最后插入数据.

官方文档定义其返回值为新插入数据的位置

iterator insert(iterator pos,const T& val)
{
    assert(pos>=_start && pos <= _finish);
    if(_finish == _end_of_storage)
    {
        int n = pos - _start;
        size_t newcapacity = 0 ? 4 :capacity()*2;
        pos = _start + n;      //防止pos迭代器失效
    }
    iterator cur = end();
    while(cur > pos)
    {
        *cur = *(cur-1);
        cur--;
    }
    *pos = val;
    _finish++;
    return pos;
}

某一位置删除 erase()

该接口的操作一般是从pos后位置开始,所有数据前挪一单位.但是在挪之前,需要检查是否还存在数据

官方文档定义其返回值为删除数据的下一位置

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

拷贝构造

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

[]访问操作

上面我们实现了迭代器,但是vector还支持[]索引取值,博主这里便实现两个[]重载吧

T& operator[](size_t i)
{
    assert(i < size());
    return _start[i];
}
const T& operator[](size_t i) const
{
    assert(i < size());
    return _start[i];
}

=赋值操作

vector<T>& operator=(vector<T> v)    //注意哦~,我这里故意写的传值参数,而不是引用,是为了下面进行交换
{
    swap(*this,v);
    return *this;
}

特别注意!!!

在实现了上面的一系列操作以后,有没有觉得我们已经大功告成了?其实这里还隐藏着一个小小bug!.为什么呢?看下面'

int main()
{
    //我们假设最开始创建的vector的容量是4
	vector<string> vc;
	vc.push_back("123");    //创建vc,并给其赋值
    vc.push_back("234");
    vc.push_back("345");
    vc.push_back("456");
    vc.push_back("567");
    return 0;
}

初一看,好像并没有什么错误哎?但是一运行就会发现,当插入第5个元素的时候,就报错了.这是什么原因呢?

调试发现,问题出在了reserve上面,因为push_back之前,会检查容量,那么我们现在重新瞅瞅 reserve存在什么问题呢?

void reserve(size_t n)
{
    if (n > capacity())
    {
        T* tmp = new T[n];               //先开辟一块空间
        size_t sz = size();              //保留原来的有效数据大小,且一定要先保存
        if (_start)        //一定要判断这个,因为最开始_start为空,那么就只需要开空间
        {
            memcpy(tmp, _start, sizeof(T) * n);  //把原来的数据拷贝进新空间
            delete _start; //释放原来的空间
        }
        _start = tmp;                    //移交空间
        _finish = _start + sz;           //更新_finish
        _end_of_storage = _start + n;    //更新_end_of_storage
    }
}

大家有发现什么问题了吗?

没错,问题出现在memcpy上面,当容量不足,reserve就会增加容量,然后把原来空间的内容值拷贝到新空间.

但是原来空间的内容也就只有三个指针呀,拷贝过去后,新空间和源空间都指向了同一块空间,而我们又会释放原空间.

所以,当继续尾插第5个元素时候,就报错了,因为空间已经不存在了!!!,被释放了.

那怎么解决呢?这里便只能用循环,把string值赋给新空间了.

void reserve(size_t n)
{
    if (n > capacity())
    {
        size_t sz = size();
        T* tmp = new T[n];
        if (_start)
        {
            for (size_t i = 0; i < sz; ++i)
            {
                tmp[i] = _start[i];
            }
            delete[] _start;
        }
        _start = tmp;
        _finish = _start + sz;
        _endofstorage = _start + n;
    }

总结

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