vector的深入剖析与底层逻辑

前言：

上篇我们谈到vector的概念，使用，以及相关接口的具体应用，本文将对vector进行深入剖析，为读者分享其底层逻辑，讲解其核心细节。

上篇链接：

初始vector——数组的高级产物-CSDN博客

一.vector的基本结构与初始化

1.1 空构造函数的实现与测试

• 实现一个空的vector，不分配任何内存。
• 测试是否创建了容量为0的vector。
• 代码示例如下

namespace W {
    template<class T>
    class vector {
    public:
        typedef T* iterator;

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

        size_t size() const { return _finish - _start; }
        size_t capacity() const { return _endOfStorage - _start; }
        bool empty() const { return _start == _finish; }

    private:
        iterator _start;
        iterator _finish;
        iterator _endOfStorage;
    };
}

 测试代码示例：

void TestEmptyVector() {
    W::vector<int> v;
    assert(v.size() == 0);  // 验证大小
    assert(v.capacity() == 0);  // 验证容量
    assert(v.empty());  // 验证是否为空
    std::cout << "TestEmptyVector passed" << std::endl;
}

输出：

TestEmptyVector passed

1.2 附带默认大小和值的构造函数初始化

• 初始化一个给定大小的vector，并使用默认值填充。
• 测试构造后大小、容量是否符合要求。

代码示例如下：

namespace W {
    template<class T>
    class vector {
    public:
        typedef T* iterator;

        vector(size_t n, const T& value = T()) {
            _start = new T[n];
            _finish = _start + n;
            _endOfStorage = _finish;
            for (size_t i = 0; i < n; ++i) {
                _start[i] = value;  // 填充默认值
            }
        }

        size_t size() const { return _finish - _start; }
        size_t capacity() const { return _endOfStorage - _start; }
        bool empty() const { return _start == _finish; }

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

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

    private:
        iterator _start;
        iterator _finish;
        iterator _endOfStorage;
    };
}

 测试代码：

void TestInitVector() {
    W::vector<int> v(5, 10);
    assert(v.size() == 5);  // 验证大小
    assert(v.capacity() == 5);  // 验证容量
    assert(!v.empty());  // 验证非空
    for (size_t i = 0; i < 5; ++i) {
        assert(v[i] == 10);  // 验证默认值
    }
    std::cout << "TestInitVector passed" << std::endl;
}

输出：

TestInitVector passed
 

1.3 拷贝构造函数

• 实现vector的拷贝构造函数。
• 测试拷贝后的vector是否完全复制原来的内容和容量。

代码示例如下：

namespace W {
    template<class T>
    class vector {
    public:
        typedef T* iterator;

        vector(const vector<T>& v) {
            size_t n = v.size();
            _start = new T[n];
            _finish = _start + n;
            _endOfStorage = _finish;
            for (size_t i = 0; i < n; ++i) {
                _start[i] = v._start[i];  // 复制数据
            }
        }

        size_t size() const { return _finish - _start; }
        size_t capacity() const { return _endOfStorage - _start; }
        bool empty() const { return _start == _finish; }

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

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

    private:
        iterator _start;
        iterator _finish;
        iterator _endOfStorage;
    };
}

 测试代码：

void TestCopyVector() {
    W::vector<int> v1(5, 10);
    W::vector<int> v2(v1);
    assert(v2.size() == 5);  // 验证大小
    assert(v2.capacity() == 5);  // 验证容量
    for (size_t i = 0; i < 5; ++i) {
        assert(v2[i] == 10);  // 验证数据拷贝
    }
    std::cout << "TestCopyVector passed" << std::endl;
}

输出：

TestCopyVector passed

1.4 赋值操作符=的实现

• 实现赋值操作符重载。
• 测试两个vector赋值后，是否正确拷贝了内容和容量。

 代码示例如下：

namespace W {
    template<class T>
    class vector {
    public:
        typedef T* iterator;

        vector<T>& operator=(const vector<T>& v) {
            if (this != &v) {
                delete[] _start;  // 释放旧的空间
                size_t n = v.size();
                _start = new T[n];
                _finish = _start + n;
                _endOfStorage = _finish;
                for (size_t i = 0; i < n; ++i) {
                    _start[i] = v._start[i];  // 复制数据
                }
            }
            return *this;
        }

        size_t size() const { return _finish - _start; }
        size_t capacity() const { return _endOfStorage - _start; }
        bool empty() const { return _start == _finish; }

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

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

    private:
        iterator _start;
        iterator _finish;
        iterator _endOfStorage;
    };
}

测试代码：

void TestAssignVector() {
    W::vector<int> v1(5, 10);
    W::vector<int> v2 = v1;  // 赋值操作
    assert(v2.size() == 5);  // 验证大小
    assert(v2.capacity() == 5);  // 验证容量
    for (size_t i = 0; i < 5; ++i) {
        assert(v2[i] == 10);  // 验证数据拷贝
    }
    std::cout << "TestAssignVector passed" << std::endl;
}

 输出：

TestAssignVector passed

 二. vector的内存与容积管理

2.1 reserve函数的动态扩容

• 实现reserve函数，测试在容量不足时是否能正确扩展。

代码示例如下：

namespace W {
    template<class T>
    class vector {
    public:
        void reserve(size_t n) {
            if (n > capacity()) {
                size_t oldSize = size();
                T* tmp = new T[n];
                for (size_t i = 0; i < oldSize; ++i) {
                    tmp[i] = _start[i];
                }
                delete[] _start;
                _start = tmp;
                _finish = _start + oldSize;
                _endOfStorage = _start + n;
            }
        }
    };
}

 测试代码：

void TestReserveVector() {
    W::vector<int> v(5, 10);
    v.reserve(10);  // 预留容量
    assert(v.capacity() == 10);  // 验证容量扩展
    for (size_t i = 0; i < 5; ++i) {
        assert(v[i] == 10);  // 验证数据保持不变
    }
    std::cout << "TestReserveVector passed" << std::endl;
}

输出：

TestReserveVector passed

2.2 resize函数——改变大小 

• 实现resize函数，测试增加或减少vector大小。

代码示例如下：

namespace W {
    template<class T>
    class vector {
    public:
        void resize(size_t n, const T& value = T()) {
            if (n < size()) {
                _finish = _start + n;  // 缩小大小
            } else {
                reserve(n);
                for (iterator it = _finish; it != _start + n; ++it)
			    {
                    *it = value;  // 填充新值
                }
                _finish = _start + n;
            }
        }
    };
}

 测试示例：

void TestResizeVector() {
    W::vector<int> v(5, 10);
    v.resize(8, 20);  // 扩展大小并填充新值
    assert(v.size() == 8);  // 验证扩展后大小
    for (size_t i = 0; i < 5; ++i) {
        assert(v[i] == 10);  // 验证原值不变
    }
    for (size_t i = 5; i < 8; ++i) {
        assert(v[i] == 20);  // 验证新值
    }
    std::cout << "TestResizeVector passed" << std::endl;
}

 输出：

TestResizeVector passed

分析：resize函数在拓展的时候，只会改变新拓展元素的容积。 

三. vector元素的插入与删除

3.1 push_back函数——尾插

分析：

1.插入前首先要确保容积充足，若不够则需要扩容（通常为2倍）

2.注意插入的元素位于现有元素的末尾

代码示例如下：

namespace W {
    template<class T>
    class vector {
    public:
        void push_back(const T& x) {
            // 如果空间不足，扩展容量为当前容量的两倍
            if (_finish == _endOfStorage) {
                size_t newCapacity = capacity() == 0 ? 1 : capacity() * 2;
                reserve(newCapacity);
            }

            // 在末尾插入新元素
            *_finish = x;
            ++_finish;
        }

    private:
        T* _start;
        T* _finish;
        T* _endOfStorage;
    };
}

测试代码：

void TestPushBackVector() {
    W::vector<int> v;
    v.push_back(1);
    v.push_back(2);
    v.push_back(3);

    assert(v.size() == 3);  // 验证插入后的大小
    assert(v.capacity() >= 3);  // 验证容量是否自动扩展
    assert(v[0] == 1 && v[1] == 2 && v[2] == 3);  // 验证插入的元素是否正确

    std::cout << "TestPushBackVector passed" << std::endl;
}

输出：

TestPushBackVector passed

3.2 pop_back函数——尾删

分析：

1.首先确保vector内元素不为空

2.删除后记得将_finish指针前移一位,并且并不释放该处空间

代码示例如下：

namespace W {
    template<class T>
    class vector {
    public:
        void push_back(const T& x) {
            // 如果空间不足，扩展容量为当前容量的两倍
            if (_finish == _endOfStorage) {
                size_t newCapacity = capacity() == 0 ? 1 : capacity() * 2;
                reserve(newCapacity);
            }

            // 在末尾插入新元素
            *_finish = x;
            ++_finish;
        }

    private:
        T* _start;
        T* _finish;
        T* _endOfStorage;
    };
}

测试代码：

void TestPushBackVector() {
    W::vector<int> v;
    v.push_back(1);
    v.push_back(2);
    v.push_back(3);

    assert(v.size() == 3);  // 验证插入后的大小
    assert(v.capacity() >= 3);  // 验证容量是否自动扩展
    assert(v[0] == 1 && v[1] == 2 && v[2] == 3);  // 验证插入的元素是否正确

    std::cout << "TestPushBackVector passed" << std::endl;
}

输出：

TestPushBackVector passed

 3.3 insert函数——在指定位置插入数据

分析：

1.插入前首先需要确保容积充足，如果容积不足则需要扩容

2.插入成功之后，元素需要依次后移

3.完成插入后_finish指针也要后移一位

代码示例如下：

namespace W {
    template<class T>
    class vector {
    public:
        T* insert(T* pos, const T& value) {
            assert(pos >= _start && pos <= _finish);  // 确保pos是有效指针

            // 检查空间是否足够
            if (_finish == _endOfStorage) {
                size_t newCapacity = capacity() == 0 ? 1 : capacity() * 2;
                size_t offset = pos - _start;  // 记录插入位置
                reserve(newCapacity);  // 扩容
                pos = _start + offset;  // 更新插入位置
            }

            // 将插入位置之后的元素整体向后移动
            for (T* it = _finish; it > pos; --it) {
                *it = *(it - 1);
            }

            // 插入新元素
            *pos = value;
            ++_finish;
            return pos;
        }

    private:
        T* _start;
        T* _finish;
        T* _endOfStorage;
    };
}

测试代码：

void TestInsertVector() {
    W::vector<int> v;
    v.push_back(1);
    v.push_back(2);
    v.push_back(4);

    v.insert(v.begin() + 2, 3);  // 在第2个位置插入3

    assert(v.size() == 4);  // 验证插入后的大小
    assert(v[0] == 1 && v[1] == 2 && v[2] == 3 && v[3] == 4);  // 验证插入的元素是否正确

    std::cout << "TestInsertVector passed" << std::endl;
}

 输出：

TestInsertVector passed

3.4 erase函数——删除指定位置的元素

分析：

1.删除之前需要确保元素不为空

2.删除之后元素均需左移一位

3.删除之后_finish左移一位 

代码示例如下:

namespace W {
    template<class T>
    class vector {
    public:
        T* erase(T* pos) {
            assert(pos >= _start && pos < _finish);  // 确保pos是有效指针

            // 将pos之后的元素向前移动
            for (T* it = pos; it < _finish - 1; ++it) {
                *it = *(it + 1);
            }

            --_finish;  // 更新_finish指针
            return pos;
        }

    private:
        T* _start;
        T* _finish;
        T* _endOfStorage;
    };
}

测试代码：

void TestEraseVector() {
    W::vector<int> v;
    v.push_back(1);
    v.push_back(2);
    v.push_back(3);
    v.push_back(4);

    v.erase(v.begin() + 2);  // 删除第2个元素

    assert(v.size() == 3);  // 验证删除后的大小
    assert(v[0] == 1 && v[1] == 2 && v[2] == 4);  // 验证删除后的元素顺序

    std::cout << "TestEraseVector passed" << std::endl;
}

 输出：

TestEraseVector passed

四. vector首尾元素的直接获取

4.1 front函数——返回第一个元素

代码示例如下：

namespace W {
    template<class T>
    class vector {
    public:
        T& front() {
            assert(!empty());  // 确保vector非空
            return *_start;  // 返回第一个元素
        }

    private:
        T* _start;
        T* _finish;
        T* _endOfStorage;
    };
}

 测试代码：

void TestFrontVector() {
    W::vector<int> v;
    v.push_back(10);
    assert(v.front() == 10);  // 验证front

    v.push_back(20);
    assert(v.front() == 10);  // 验证front不变

    std::cout << "TestFrontVector passed" << std::endl;


}

输出：

TestFrontVector passed

 4.2 back函数——返回最后一个元素

代码示例如下：

namespace W {
    template<class T>
    class vector {
    public:
        T& back() {
            assert(!empty());  // 确保vector非空
            return *(_finish - 1);  // 返回最后一个元素
        }

    private:
        T* _start;
        T* _finish;
        T* _endOfStorage;
    };
}

测试代码：

void TestBackVector() {
    W::vector<int> v;
    v.push_back(10);
    assert(v.back() == 10);  // 验证back

    v.push_back(20);
    assert(v.back() == 20);  // 验证back变化

    std::cout << "TestBackVector passed" << std::endl;
}

输出：

TestBackVector passed

五. 迭代器的基本操作

5.1 begin函数与end函数

• begin 函数返回指向 vector 起始位置的迭代器（即指向第一个元素）。
• end 函数返回指向 vector 末尾的迭代器（即指向最后一个元素的下一个位置）。
• 两者结合可以用于遍历 vector 中的元素。

代码示例如下：

namespace W {
    template<class T>
    class vector {
    public:
        typedef T* iterator;  // 使用原生指针作为迭代器

        iterator begin() {
            return _start;
        }

        iterator end() {
            return _finish;
        }

    private:
        T* _start;
        T* _finish;
        T* _endOfStorage;
    };
}

 测试代码：

void TestIteratorVector() {
    W::vector<int> v;
    v.push_back(10);
    v.push_back(20);
    v.push_back(30);

    // 使用迭代器遍历 vector
    for (W::vector<int>::iterator it = v.begin(); it != v.end(); ++it) {
        std::cout << *it << " ";
    }
    std::cout << std::endl;

    std::cout << "TestIteratorVector passed" << std::endl;
}

输出：

10 20 30 
TestIteratorVector passed

 5.2 swap函数——交换两个vector

• swap 函数用于交换两个 vector 的内容，包括它们的起始指针、结束指针和容量指针。
• swap 函数是常用的优化操作，特别是在实现移动语义时能大大提高效率。

代码示例如下：

namespace W {
    template<class T>
    class vector {
    public:
        void swap(vector<T>& v) {
            std::swap(_start, v._start);
            std::swap(_finish, v._finish);
            std::swap(_endOfStorage, v._endOfStorage);
        }

    private:
        T* _start;
        T* _finish;
        T* _endOfStorage;
    };
}

 测试代码：

void TestSwapVector() {
    W::vector<int> v1;
    W::vector<int> v2;

    v1.push_back(1);
    v1.push_back(2);
    v2.push_back(3);
    v2.push_back(4);
    
    v1.swap(v2);

    // 验证 v1 和 v2 交换后内容是否正确
    for (auto e : v1) {
        std::cout << e << " ";
    }
    std::cout << std::endl;

    for (auto e : v2) {
        std::cout << e << " ";
    }
    std::cout << std::endl;

    std::cout << "TestSwapVector passed" << std::endl;
}

输出：

3 4 
1 2 
TestSwapVector passed

六. 赋值运算符重载——深拷贝vector （现代写法）

深拷贝之后实现与一个值与原先vector相同，但又相互独立的新vector。

其核心在于地址的不同，与拷贝构造函数同理，否则则为浅拷贝，两者间对任一一个进行增删查改也会对对方产生影响。

注意：使用 传值（pass-by-value）参数，配合 swap 函数，使代码简洁高效，且异常安全。

代码示例如下：

namespace W {
    template<class T>
    class vector {
    public:
        //这里可以服用reserve和push_back函数了
        vector(const vector<T>& v)
            : _start(nullptr), _finish(nullptr), _endOfStorage(nullptr)
        {
            reserve(v.size());  // 分配所需空间
            for (const T& elem : v) {
                push_back(elem);  // 拷贝每个元素
            }
        }

        // 赋值操作符，使用拷贝并交换技术
        vector<T>& operator=(vector<T> v) {
            swap(v);  // 调用 swap 函数交换内容
            return *this;
        }

        // swap 函数
        void swap(vector<T>& v) {
            std::swap(_start, v._start);
            std::swap(_finish, v._finish);
            std::swap(_endOfStorage, v._endOfStorage);
        }

        // 其他成员函数同之前实现...

    private:
        T* _start;
        T* _finish;
        T* _endOfStorage;
    };
}

 测试代码：

void TestCopyAndAssignVector() {
    // 测试拷贝构造函数
    W::vector<int> v1;
    v1.push_back(1);
    v1.push_back(2);
    v1.push_back(3);

    W::vector<int> v2(v1);  // 使用拷贝构造函数
    for (size_t i = 0; i < v2.size(); ++i) {
        assert(v2[i] == v1[i]);  // 验证每个元素是否相同
    }

    // 测试赋值操作符
    W::vector<int> v3;
    v3 = v1;  // 使用赋值操作符
    for (size_t i = 0; i < v3.size(); ++i) {
        assert(v3[i] == v1[i]);  // 验证每个元素是否相同
    }

    std::cout << "TestCopyAndAssignVector passed" << std::endl;
}

现代写法说明：

传值参数：通过传递 vector<T> 的值作为参数，创建一个临时对象 v。调用拷贝构造函数时自动执行拷贝，然后在赋值操作中与现有对象交换内容。传值是安全的，避免了手动内存管理问题。

swap：通过交换数据成员 _start、_finish 和 _endOfStorage，避免手动内存释放，简化代码逻辑。交换后的临时对象 v 离开作用域时自动销毁，保证资源释放。

小结：本文承接上篇vector基础部分的讲解，继续对其底层逻辑和相关属性进行深入剖析。每一特

性都给出了详解解释与示例，欢迎各位佬前来支持斧正！