C++:vector增删查改模拟实现

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前言

提前在这说明下，vector增删查改模拟实现的成员变量博主采用SGI版本。下面给出其库中成员变量是哪些，后续的模拟实现都基于此。

我们发现库中定义了3个T*的变量。同时3个成员变量的意义如下：

一、迭代器

1.1 非const迭代器：begin()、end()

typedef T* iterator;

iterator begin()
{
	return _start;
}

iterator end()
{
	return _finish;
}

1.2 const迭代器：begin()、end()

typedef const T* const_iterator;

const_iterator begin()const
{
	return _start;
}

const_iterator end()const
{
	return _finish;
}

二、构造函数、拷贝构造函数、赋值重载、析构函数模拟实现

2.1 构造函数

我们先来看看vector库中的构造类型如下：

我们知道有三种构造方式，下面给出各种的实现方式。

2.1.1 无参构造

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

2.1.2 迭代器区间构造

template<class InputIterator>//使用模板是为了，当数据类型匹配时就可以使用
vector(InputIterator first, InputIterator last)
{
	while (first != last)
	{
		push_back(*first);
		first++;
	}
}

2.1.3 n个值构造

vector(size_t  n, const T& value = T())
{
	reserve(n);
	for (size_t i = 0; i < n; i++)
	{
		push_back(value);
	}
}

//防止定义vector<int>这种类型走迭代区间的构造函数，我们在多实现一个以下类型函数
//当使用vector<int>类型的去构造时，此时调用的构造函数两个参数都是int。所有他会走最匹配的函数，即迭代器区间构造生成的构造函数，程序会出错。
//而下面给出了现成的最匹配构造函数，编译器调用时就不会走模板。
vector(int n, const T& value = T())
{
	reserve(n);
	for (size_t i = 0; i < n; i++)
	{
		push_back(value);
	}
}

2.2 拷贝构造

拷贝构造我们先调用开好一块空间，在依次插入数据即可。

//vector(const vector& x) //库中实现模式, 直接使用类名。但C++，类型不是类名。
//这里各位读者了解下这里直接类名做类型也正确即可，但不建议各位这样做。
vector(const vector<T>& v)
{
	reserve(v.capacity());//后面会给出实现
	for (auto& e : v)
	{
		push_back(e);
	}
}

2.3 赋值重载

赋值重载这里我们不要传引用，而是直接传参即可。编译器调用拷贝构造生成形参后，在调用swap()函数依次交换形参和this即可。

//赋值重载
void swap(vector<T>& v)
{
	std::swap(_start, v._start);
	std::swap(_finish, v._finish);
	std::swap(_endofstorage, v_endofstorage);
}

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

3 析构函数

~vector()
{
	delete[] _start;
	_start = _finish = _endofstorage = nullptr;
}

三、容量相关：capacity()、size()、reserve()、resize()

3.1 capacity()

size_t capacity()const
{
		return _endofstorage - _start;
}

3.2 size()

size_t size()const
{
	return _finish - _start;
}

3.3 reserve()

由于stl中我们一般不缩容，所以先判断reserve的空间大小是否比当前空间容量大。
如果reserve的空间更大，所以我们需要先开好目标大小的空间，在将原数据拷贝过去，最后析构原来空间即可。
但下面这两种实现方式对吗？

第一种：

void reserve(size_t n)
{
	if (n > capacity())
	{
		T* tmp = new T[n];
		if (_start)//如果原来空间有数据，拷贝到新空间
		{
			memcpy(tmp, _start, sizeof(T) * size());
			delete[] _start;
		}
		//更新_start、_finish、_endofstorage。指向新空间中相应位置
		_start = tmp;
		_finish = _start + size();
		_endofstorage = _start + n;
	}
}

先说结论：上诉这段代码是错的。
在我们调试后会发现_finish的值没有更新。（这里大家自行验证下接口）
?
原因：(win11画图一直很模糊，博主也很无奈，各位将就看吧)

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第二种：
为了解决上诉问题，我们可以先记录_finish和_start的偏移量，用来代替size()函数。
所以初学者很容易写出以下代码：

void reserve(size_t n)
{
	if (n > capacity())
	{
		size_t sz = size();//记录_finish 和 _start 的偏移量
		T* tmp = new T[n];
		if (_start)
		{
			//memcpy(tmp, _start, sizeof(T) * sz);
			delete[] _start;
		}

		_start = tmp;
		_finish = _start + sz;//不能用size()代替sz，否则会导致迭代器失效
		_endofstorage = _start + n;
	}
}

那这是否正确呢？答案是否定的。
我们来看看下面这种场景：

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实际上对于这种情况，可以自己循环依次赋值即可。内置类型直接拷贝数据；内置类型调用赋值重载，是一种深拷贝。

最终代码如下：

void reserve(size_t n)
{
	if (n > capacity())
	{
		size_t sz = size();//记录_finish 和 _start 的偏移量
		T* tmp = new T[n];
		if (_start)
		{
			//memcpy(tmp, _start, sizeof(T) * sz);
			for (size_t i = 0; i < sz; i++)
			{
				tmp[i] = _start[i];
			}
			delete[] _start;
		}

		_start = tmp;
		_finish = _start + sz;//不能用size()代替sz，否则会导致迭代器失效
		_endofstorage = _start + n;
	}
}

3.4 resize()

resize逻辑还是很简单的。
首先判断resize()的目标大小n和有效数据个数size()谁大。如果有效个数size()更大，只需更改_finish即可；否则要先进行扩容（reserve会将原有数据拷贝到新空间），然后从_finish开始向扩充的空间插入新的值。
?
代码如下：

//const会延长匿名对象的生命周期, 匿名对象具有常性
//模板出来后，对类进行了升级，内置类型也有构造函数
//void resize(size_t n, T val = T())
void resize(size_t n, const T& val = T())
{
	if (n < size())
	{
		_finish = _start + n;
	}
	else
	{
		reserve(n);
		while (_finish < _start + n)
		{
			*_finish = val;
			_finish++;
		}
	}
}

四、operator[ ]重载

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

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

五、元素相关：insert、erase、push_back、pop_back

5.1 insert()

任意位置插入数据，首先需判断是否需要扩容。然后将插入位置pos开始往后的数据向后移动，最后将新数据插入到pos处即可。
tips：

• 如果发生扩容，需要先记录pos和_start之间的偏移量。在将pos位置跟新，指向新空间中对应位置。否则会导致迭代器失效

void insert(iterator pos, const T& x)
{
	assert(pos >= _start);
	assert(pos <= _finish);
	if (_finish == _endofstroage)
	{
		size_t len = pos - _start;
		reserve(capacity() == 0 ? 4 : capacity() * 2);
		pos = _start + len;
	}

	//挪动数据
	iterator end = _finish - 1;
	while (end >= pos)
	{
		*(end + 1) = *end;
		end--;
	}

	//插入数据
	*pos = x;
	_finish++;
}

5.2 erase()

任意位置删除数据，只需要从pos+1开始，将后续数据全部依次向前移动覆盖，最后更新_finish即可。

iterator erase(iterator pos)
{
	assert(pos >= _start);
	assert(pos < _finish);

	iterator it = pos + 1;
	while (it < _finish)
	{
		*(it - 1) = *it;
		++it;
	}

	--_finish;

	return pos;
}

5.2.1 erase迭代器失效

void testvector4()
{
	vector<int> v;
	v.push_back(1);
	v.push_back(2);
	v.push_back(2);
	v.push_back(4);
	v.push_back(5);
	v.push_back(6);
	auto it = v.begin();
	while (it < v.end())
	{
		if (*it % 2 == 0)
		{
			v.erase(it);
		}
			it++;
	}
	for (auto e : v)
	{
		cout << e << " ";
	}
	cout << endl;
}

上述代码本意是将偶数全部删除，结果本该是1 、5。但结果却是：

为什么呢？
这是因为我们删除元素后，后续数据会补上空缺。所以当使用erase后，迭代器会失效。（上述结果是g++的实现机制，在vs2019下上述代码会直接报错。原因在于vs2019对erase后的空间做强制检查，不允许访问）。为此stl库给出的解决方案是接受删除位置的下一个元素的返回值。（这也是为什么整个模拟实现中只有erase函数具有返回值）,并接收返回值。
?
正确删除偶数方法：

void testvector4()
	{
		//std::vector<int> v;
		vector<int> v;
		v.push_back(1);
		v.push_back(2);
		v.push_back(2);
		v.push_back(4);
		v.push_back(5);
		v.push_back(6);
		auto it = v.begin();
		//迭代器失效
		/*while (it < v.end())
		{
			if (*it % 2 == 0)
			{
				v.erase(it);
			}
				it++;
		}*/

		while (it < v.end())
		{
			if (*it % 2 == 0)
			{
				it = v.erase(it);
			}
			else
			{
				it++;
			}
		}

		for (auto e : v)
		{
			cout << e << " ";
		}
		cout << endl;
	}

5.3 push_bach()

头插复用insert函数即可。

void push_back(const T& x)
{
	//if (_finish == _endofstroage)
	//{
	//	reserve(capacity() == 0 ? 4 : capacity() * 2);
	//}

	插入数据
	//*_finish = x;
	//_finish++;

	insert(_finish, x);
}

5.4 pop_back()

复用erase，尾删

void pop_back()
{
	erase(--end());
}

六、所有代码

vector增删查改模拟实现gitee链接