【C++初阶】从零开始模拟实现vector(含迭代器失效详细讲解)
目录
1、基本结构
1.1成员变量
1.2无参构造函数
1.3有参构造函数
preserve()的实现
代码部分：
push_back()的实现
代码部分：
代码部分：
1.4拷贝构造函数
代码部分：
1.5支持{}初始化的构造函数
代码部分：
1.6支持迭代器区间初始化的构造函数
代码部分：
1.7支持一次插入多个相同元素的构造函数
代码部分：
resize()函数的实现：改变大小
代码部分：
1.8析构函数
代码部分：
2、插入和删除
2.1尾插
代码部分：
2.2在任意位置插入
代码部分：
2.3尾删
代码部分：
2.4在任意位置删除
思路：
代码部分：
3、运算符的重载
3.1赋值运算符的重载
1、传统写法
代码部分：
2、现代写法
swap()的实现
代码部分：
3.2operator []的实现
代码实现：
4、迭代器失效问题(重点)
4.1迭代器失效的原因和后果
4.2常见迭代器失效的操作
4.2.1扩容相关操作
4.2.2删除相关操作
总结：
1、基本结构
1.1成员变量
vector类有三个成员变量，_start指向数据块起始位置，_finish指向有效数据块的结尾位置，_end_of_storage指向有效空间容量的结束位置
在这里给它们去缺省值
namespace yyc
{
template <class T>
class vector
{
public:
typedef T* iterator;
private:
//成员变量初始化为空
iterator _start = nullptr;//指向数据块起始位置
iterator _finish = nullptr;//指向有效数据的尾
iterator _end_of_storage = nullptr;//指向空间容量的尾
};
}1.2无参构造函数
这里的无参构造函数，也可以不写初始化列表(因为成员变量给的缺省值会自动给初始化列表)
vector()
{}
//vector()
//: _start(nullptr)
//, _finish(nullptr)
//, _endOfStorage(nullptr)
//{}
1.3有参构造函数
初始化一个给定大小的vector，并使用默认值填充
在实现构造之前，我们可以实现一个扩容成员函数reserve()和一个尾插成员函数push_back()
preserve()的实现
实现reserve的过程还可以实现size()和capacity()函数
在实现preserve时要注意的是：
1、这里用到的并不是memcpy来进行数据拷贝，而是用for循环来一个一个赋值
这是因为在面对T为string类型时，使用memcpy会导致浅拷贝
2、在扩容后要进行迭代器的更新，防止出现迭代器失效的问题
代码部分：
size_t size() const
{
return _finish - _start;
}
size_t capacity() const
{
return _end_of_storage - _start;
}
void reserve(size_t n)
{
if (n > capacity())
{
size_t oldsize = size();//将原有空间中有效数据长度记录下来
T* tmp = new T[n];
//memcpy(tmp,_start,sizeof(T)*size())//memcpy进行的是浅拷贝，会导致迭代器失效
for (size_t i = 0; i < oldsize; ++i)
{
tmp[i] = _start[i];//将原有空间中的资源转到新开的空间
}
delete[] _start;//销毁旧空间
_start = tmp;
_finish = _start + oldsize;//finish重新指向原本要指向的位置
_end_of_storage = _start + n;
}
}push_back()的实现
代码部分：
void push_back(const T& x)
{
if (_finish == _end_of_storage)
{
reserve(capacity() == 0 ? 4 : capacity() * 2);
}
*_finish = x;
++_finish;
}然后我们直接复用这两个成员函数就可以实现初始化
但要实现范围for就必须先实现两个返回首尾位置的迭代器
代码部分：
typedef T* iterator;
typedef const T* const_iterator;
//实现范围for
iterator begin()
{
return _start;
}
iterator end()
{
return _finish;
}
const_iterator begin() const
{
return _start;
}通过一系列的复用来实现构造函数，这样就极大的提高代码的简洁性以及易于修改
代码部分：
vector(const vector<T>& x)
{
reserve(x.size());
for (auto a : x)
{
push_back(a);
}
}
1.4拷贝构造函数
拷贝构造函数实现的思路和有参构造函数差不多，也是进行复用来实现
代码部分：
vector(const vector<T>& x)
{
reserve(x.size());
for (auto a : x)
{
push_back(a);
}
}1.5支持{}初始化的构造函数
这是C++版本才新出的一种初始化方式
它支持vector<int> v = {1,2,3,4,5};这种方式初始化
代码部分：
vector(initializer_list<T> il)
{
reserve(il.size());
for (auto& a : il)
{
push_back(a);
}
}初始化实现：
yyc::vector<int> v1 = { 1,2,3,4,5,6 };//一种一种隐式类型转换
yyc::vector<int> v2({ 1,2,3,4,5,6 });//调用对应构造1.6支持迭代器区间初始化的构造函数
代码部分：
template <class InputIterator>
vector(InputIterator first, InputIterator last)
{
while (first != last)
{
push_back(*first);
++first;
}
}这种初始化方式就可以实现
yyc::vector<int> v1(10,1);
yyc::vector<int> v2(v1.begin(), v1.begin() + 3);1.7支持一次插入多个相同元素的构造函数
可以实现初始化一次插入多个元素
代码部分：
vector(int n, const T& val = T())
:_start(new T[n])
,_finish(_start+n)
,_end_of_storage(_finish)
{
//while (n--)
//{
// push_back(val);
//}
for (int i = 0; i < n; ++i)
{
_start[i] = val;
}
}初始化实现：
yyc::vector<int> v1(10,1);但还有一种简洁的方式实现该构造函数
1、一种是复用reserve()和push_back()l来实现
2、直接复用resize()函数
resize()函数的实现：改变大小
代码部分：
void resize(size_t n, const T& val = T())//这里的的val给缺省值
{
if (n <= size())//当n<=size()时，会进行数据的删除
{
_finish =_start;
return;
}
else if (n > capacity())//当n>capacity()时，就进行扩容
{
reserve(n);//复用写好的reserve()
//多出来的空间插入数据
while (_finish != _start + n)
{
//从原本的_finish处进行尾插
*_finish = val;
++_finish;
}
}
}复用resize()，通过n的大小来进行数据的插入
vector(size_t n, const T& val = T()) // 这里我们实现了两个函数
{ // 一个是size_t 的 n 一个是int
resize(n, val); // 可以有效的匹配不同调用场景
} // 防止负数隐式转换
vector(int n, const T& val = T())
{
resize(n, val);
}1.8析构函数
代码部分：
~vector()
{
delete[] _start;
_start = _finish = _end_of_storage = nullptr;
}2、插入和删除
2.1尾插
代码部分：
void push_back(const T& x)
{
if (_finish == _end_of_storage)
{
reserve(capacity() == 0 ? 4 : capacity() * 2);
}
*_finish = x;
++_finish;
}2.2在任意位置插入
注意事项：
当插入过程中需要扩容时，就需要进行迭代器的更新，防止迭代器失效
代码部分：
void insert(iterator pos, const T& val)
{
assert(pos >= _start);
assert(pos <= _finish);
if (_finish == _end_of_storage)
{
//保留pos位置，防止扩容后迭代器失效
size_t len = pos - _start;
reserve(capacity() == 0 ? 4 : capacity() * 2);
pos = _start + len;//更新迭代器
}
iterator it = _finish - 1;
while (it >= pos)
{
*(it + 1) = *it;//挪动数据
--it;
}
*pos = val;//在指定位置插入数据
++_finish;
}2.3尾删
代码部分：
void pop_back()
{
assert(_finish > _start);
--_finish;
}2.4在任意位置删除
思路：
将pos+1后面的数据一个一个往前移，进行数据的覆盖
最后返回删除位置的迭代器，以此来更新迭代器
代码部分：
iterator erase(iterator pos)//删除指定位置数据
{
assert(pos >= _start);
assert(pos <= _finish);
//用后面的数据覆盖前面的数据
iterator it = pos + 1;
while (it < _finish)
{
*(it - 1) = *it;
it++;
}
_finish--;
return pos;
}3、运算符的重载
3.1赋值运算符的重载
1、传统写法
· 先进行原有空间的释放和迭代器的置空
· 在复用reserve()和push_back()来进行数据的拷贝
代码部分：
vector<T>& operator=(const vector<T>& v)
{
if (*this != v)
{
delete[] _start;
_start = _finish = _end_of_storage = nullptr;
reserve(v.size());
for (auto& x : v)
{
push_back(x);
}
}
return *this;
}2、现代写法
现代写法就比较简洁，不需要我们来做复杂的工作，，只要实现好了swap()和拷贝构造函数就可以实现
swap()的实现
void swap(vector<T>& v)
{
std::swap(_start, v._start);
std::swap(_finish, v._finish);
std::swap(_end_of_storage, v._end_of_storage);
}代码部分：
void swap(vector<T>& v)
{
std::swap(_start, v._start);
std::swap(_finish, v._finish);
std::swap(_end_of_storage, v._end_of_storage);
}
vector<T>& operator=(vector<T>& v)
{
swap(v);
return *this;
}3.2operator []的实现
代码实现：
T& operator[](size_t i)
{
assert(i < size());
return _start[i];
}
const T& operator[](size_t i) const
{
assert(i < size());
return _start[i];
}4、迭代器失效问题(重点)
4.1迭代器失效的原因和后果
使用迭代器的主要原因就是为了不暴露容器的底层结构，不需要关心底层结构，让使用更简单
它的底层实际上就是一个指针或对指针进行了封装，比如：vector的迭代器就是原生态指针T*
因此，迭代器失效就是迭代器底层对应指针所指向的空间被销毁了，而使用一块已经被释放的空间，造成的后果是程序崩溃(即如果继续使用已经失效的迭代器，程序可能会崩溃)
4.2常见迭代器失效的操作
4.2.1扩容相关操作
当 vector 需要扩展容量时，会分配新的内存空间并将原有元素搬移到新的位置。此时，所有的迭代器将会失效，它的本质其实就是野指针
· reserve()
· resize()
· insert()
· push_back()
· assign()
#include <iostream>
using namespace std;
#include <vector>
int main()
{
vector<int> v{1,2,3,4,5,6};
auto it = v.begin();
// 将有效元素个数增加到100个，多出的位置使用8填充，操作期间底层会扩容
// v.resize(100, 8);
// reserve的作用就是改变扩容大小但不改变有效元素个数，操作期间可能会引起底层容量改变
// v.reserve(100);
// 插入元素期间，可能会引起扩容，而导致原空间被释放
// v.insert(v.begin(), 0);
// v.push_back(8);
// 给vector重新赋值，可能会引起底层容量改变
v.assign(100, 8);
/*
出错原因：以上操作，都有可能会导致vector扩容，也就是说vector底层原理旧空间被释放掉
而在打印时，it还使用的是释放之间的旧空间，在对it迭代器操作时
实际操作的是一块已经被释放的空间，而引起代码运行时崩溃。
解决方式：在以上操作完成之后，如果想要继续通过迭代器操作vector中的元素，只需给it重新赋值即可。
*/
while(it != v.end())
{
cout<< *it << " " ;
++it;
}
cout<<endl;
return 0;
} // 程序运行会崩掉
因此，在进行了扩容后默认迭代器就失效了
4.2.2删除相关操作
删除操作会使指向被删除元素及其后续元素的迭代器失效。
#include<iostream>
using namespace std;
#include <vector>
int main()
{
int a[] = { 1, 2, 3, 4 };
vector<int> v(a, a + sizeof(a) / sizeof(int));
// 使用find查找3所在位置的iterator
vector<int>::iterator pos = find(v.begin(), v.end(), 3);
// 删除pos位置的数据，导致pos迭代器失效。
v.erase(pos);
cout << *pos << endl; // 此处会导致非法访问
return 0;
}
erase删除pos位置元素后，pos位置之后的元素会往前搬移，没有导致底层空间的改变，理论上讲迭代器不应该会失效，但是：如果pos刚好是最后一个元素，删完之后pos刚好是end的位置，而end位置是没有元素的，那么pos就失效了。因此删除vector中任意位置上元素时，vs就认为该位置迭代器失效了
int main()
{
xxx::vector<int> v1;
v1.push_back(1);
v1.push_back(2);
v1.push_back(3);
v1.push_back(4);
v1.push_back(5);
for (const auto& e : v1)
{
cout << e << " ";
}
cout << endl;
// 迭代器失效
//删除所有的偶数：在不同系统下实现结果各有所不同
/*auto it = v1.begin();
while (it != v1.end())
{
if (*it % 2 == 0)
{
v1.erase(it);
}
++it;
}*/
//删除所有的偶数
/*auto it = v1.begin();
//这种方法在linux下可以进行，但在VS下无法实现
//vs会强制检查
while (it != v1.end())
{
if (*it % 2 == 0)
{
v1.erase(it);
}
else
{
++it;
}
}*/
// 前面两种删除方式都会使迭代器失效 it已经不是指向该指向的位置
//该方法适用于多平台
// 迭代器完全体
auto it = v1.begin();
while (it != v1.end())
{
if (*it % 2 == 0)
{
it = v1.erase(it); // 删除之后重新赋值迭代器，这也是为什么earse要返回迭代器的原因
}
else
{
++it;
}
}
for (const auto& e : v1)
{
cout << e << " ";
}
cout << endl;
return 0;
}
总结：
在进行了扩容或删除操作后，参与其中的迭代器就默认失效了，解决办法就是对迭代器进行更新
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