【STL】 模拟实现简易 vector

目录

1. 读源码

2. 框架搭建

3. vector 的迭代器

4. vector 的拷贝构造与赋值

拷贝构造

赋值

5. vector 的常见重要接口实现

operator[ ] 的实现

insert 接口的实现

erase 接口实现

pop_back 接口的实现

resize 接口实现

源码分享

写在最后：

1. 读源码

想要自己实现一个 vector，读源码来理解他的实现是必不可少的一个步骤，

但是，当我们拿到 vector 的源码之后，一堆代码，我们应该从何看起呢？

我们当然是从一个类的核心读起，也就是从他的成员变量开始读：

这里我们找到了他的成员变量，他的类型是 iterator，这又是个啥，

我们来溯源一下：

我们可以看到，实际上 iterator 就是一个T* 的指针类型，

而 iterator 是迭代器，这里我们也可以大致猜到，vector 的迭代器其实就是原生指针。

回归正题，那他的成员函数有什么作用呢？

这个时候我们就可通过去看他的：构造函数 + 插入接口，来进一步的了解：

 先来看构造函数，其他的就是一些重载，而且具体的实现也封装起来了，

但是我们看他的默认构造也看不出什么名堂来，只是都初始化成0了，

那我们还是得去看看他的插入接口：

源码的 push_back 说，如果 finish != end_of_storage 就调 construct 然后 finish++

这里我们可以先猜一下源码的意思，他给了 start，finish，end_of_storage，

那其实我们可以菜 start 是数组开始的位置，finish 是结束的位置，

end_of_storage 是数组容量的最后一个位置，那这个 if 语句的判断就是如果数组没满，

就插入一个数据，让 finish++，这里我们暂时不知道 construct 究竟是什么，

但是看源码千万不要陷进一些细节，我们先把大的框架给看好先，那这个时候，

我们就可以大概猜到，else 里面的就是需要扩容的逻辑，他调用了 insert_aux，

那我们就再去看一看这个函数：

这个函数很大，我就一点一点分析啊，

一开始是又进行一次判断，这里的 insert 不一定是只被 push_back 使用的，

所以可能其他地方调用的时候需要这一个判断：

然后我们来看 else 里面的逻辑，首先这里是扩容的策略，

如果第一次就扩容成 1，如果是其他情况就双倍扩容，

然后这里调用的是 allocate 也就是STL自己的空间配置器来要内存，

应为STL比较嫌弃 malloc 开内存的速度啊，就自己内部实现了一个内存池。

 然后这一段逻辑就是拷贝数据到新的空间，

然后又调用了 construct 把数据插入进去，这里我还是先不看他的底层实现啊：

然后最后这里就是把旧的空间释放掉，然后更新成员变量：

然后我这里再补充一个小的点：

这里使用的就是 try catch 来捕获异常的操作，为了防止内存泄漏 catch 这里有销毁内存的操作，

这个时候不得不吐槽一下老 C++ 程序员的爱好，使用宏，总是喜欢搞一堆宏，让人很难受啊。

回归正题啊，这里我们是想搞懂成员变量的含义啊，但是他的 push_back 封装的比较复杂，

所以我们再去看一个扩容的逻辑（reserve）验证我们刚刚的猜想：

其他的我们不在意啊，就来看着几个成员变量的操作，

start = tmp，这里就差不多能证实 start 指向的是数组的开头位置了，

finish = tmp + old_size，这里的 old_size 不就是以前的数据大小吗，那 finish 也没错，

end_of_storage = start + n，reserve 函数传来的 n 就是要扩容到的容量大小，

那我们就大致了解了他的成员变量的含义了。

刚刚说好的，来看看 construct 的实现是怎么样的：

发现没有，construct 其实就是一个定位 new，如果我们需要给一个自定义类型开空间，

那我们就不能直接调用 malloc 了，得调用该自定义类型的构造函数，

而这个 destroy 为什么也把它放出来呢，因为清理资源的时候，他调用的destroy，

其实就是在调用自定义类型的析构函数来清理资源。 

2. 框架搭建

那我们话不多说，直接开始写我们自己的 vector。

先来快速打个架子，让代码跑起来：

#pragma once

#include <iostream>
#include <vector>

using namespace std;

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

	private:
		iterator _start;
		iterator _finish;
		iterator _end_of_storage;

	public:
		vector()
			: _start(nullptr)
			, _finish(nullptr)
			, _end_of_storage(nullptr)
		{}
		
	public:
		iterator begin() {
			return _start;
		}

		iterator end() {
			return _finish;
		}
			 
	public:
		void reserve(size_t n) {
			if (n > capacity()) {
				size_t old_size = size();
				T* tmp = new T[n];
				if (_start) {
					for (size_t i = 0; i < size(); i++) {
						tmp[i] = _start[i];
					}
					delete[] _start;
				}
				_start = tmp;
				_finish = _start + old_size;
				_end_of_storage = _start + n;
			}
		}

		void push_back(const T& x) {
			if (_finish == _end_of_storage) {
				size_t new_capacity = capacity() == 0 ? 4 : capacity() * 2;
				reserve(new_capacity);
			}
			*_finish = x;
			_finish++;
		}

	public:
		int size() const {
			return _finish - _start;
		}

		int capacity() const {
			return _end_of_storage - _start;
		}
	};
}

我们实现了一个构造，一个 push_back，一个最基本的迭代器，

现在我们可以把代码跑起来了：

void test() {
	xl::vector<int> v;
	v.push_back(1);
	v.push_back(2);
	v.push_back(3);
	v.push_back(4);
	v.push_back(5);

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

这里我们是直接用范围for，因为范围for 没问题，迭代器肯定没问题。

来看结果：

这里我们再把重要的析构函数给加上：

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

3. vector 的迭代器

我们来看这样一个场景：

void Print(const vector<int>& v) {
	for (auto e : v) cout << e << " ";
	cout << endl;
}

void test2() {
	xl::vector<int> v;
	v.push_back(1);
	v.push_back(2);
	v.push_back(3);
	v.push_back(4);
	v.push_back(5);

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

	Print(v);
}

实际上，编译器报错了：

这是为什么呢？

我们搭建框架的时候，只实现了普通迭代器，

这里我们传参的时候加了 const 导致出现了权限放大的情况，

所以我们需要重载一份 const 迭代器：

public:
    typedef T* iterator;
    typedef const T* const_iterator;

public:
	iterator begin() {
		return _start;
	}

	iterator end() {
		return _finish;
	}

	const_iterator begin() const {
		return _start;
	}

	const_iterator end() const {
		return _finish;
	}

我们赶紧来测试一手：

void Print(const xl::vector<int>& v) {
	for (auto e : v) cout << e << " ";
	cout << endl;
}

void test2() {
	xl::vector<int> v;
	v.push_back(1);
	v.push_back(2);
	v.push_back(3);
	v.push_back(4);
	v.push_back(5);

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

	Print(v);
}

输出：

4. vector 的拷贝构造与赋值

拷贝构造

这里就实现一下传统写法：

// 传统写法	
vector(const vector<T>& v)
	: _start(nullptr)
	, _finish(nullptr)
	, _end_of_storage(nullptr)
{
	_start = new T[v.capacity()];
	for (size_t i = 0; i < v.size(); i++) {
		_start[i] = v._start[i];
	}
	_finish = _start + v.size();
	_end_of_storage = _start + v.capacity();
}

当然啦，实现方法有很多，怎么舒服怎么来就好~

赋值

这里我就直接用现代写法啦，因为实现起来真的和方便：

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

// 现代写法
vector<T>& operator=(vector<T> v) {
	swap(v);
	return *this;
}

5. vector 的常见重要接口实现

operator[ ] 的实现

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

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

来测试一下：

void test1() {
	xl::vector<int> v;
	v.push_back(1);
	v.push_back(2);
	v.push_back(3);
	v.push_back(4);
	v.push_back(5);

	for (int i = 0; i < 5; i++) {
		cout << v[i] << " ";
	}
	cout << endl;
}

输出：

insert 接口的实现

void insert(iterator pos, const T& x) {
	assert(pos >= _start && pos <= _finish);

	if (_finish == _end_of_storage) {
		size_t len = pos - _start; // 防止迭代器失效的问题（扩容之后pos仍指向旧空间）
		size_t new_capacity = capacity() == 0 ? 4 : capacity() * 2;
		reserve(new_capacity);
		pos = _start + len;
	}
	iterator end = _finish - 1;
	while (end >= pos) {
		*(end + 1) = *end;
		end--;
	}
	*pos = x;
	_finish++;
}

实现了 insert 之后，其实我们已经不需要自己实现 push_back 了，

直接复用 insert 就行了：

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

	insert(end(), x);
}

我们来测试一下：

void test2() {
	xl::vector<int> v;
	v.push_back(1);
	v.push_back(2);
	v.push_back(3);
	v.push_back(4);
	v.push_back(5);

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

 还是这段代码，来看输出：

现在我们解决了 insert 内部的迭代器失效的问题，

再来看看这样一个场景：

void test2() {
	xl::vector<int> v;
	v.push_back(1);
	v.push_back(2);
	v.push_back(4);
	v.push_back(5);

	xl::vector<int>::iterator it = v.begin() + 2;
	v.insert(it, 3);
	*it += 10;

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

}

我们插入了一个 3 ，然后把 3 += 10 ，应该打印出 13 才对，

但是，来看输出：

为什么会还是打印 3 呢？

我们调试来看看：

 目前为止还是正常的：

走到这里我们发现 it 指针变成随机值了，这是为什么？

我们虽然在 insert 实现的内部对扩容这里进行了防止迭代器失效的操作，

但是，形参的改变不影响实参，扩容之后旧空间就被释放了，导致了迭代器失效。 

那我们该怎么解决呢？

我们看看源码是咋实现的：（当有细节问题的时候，就可以看看源码的实现细节了）

源码里面使用的操作，是搞了个返回值，

就是返回指向新插入位置的迭代器，如果源码看不太懂，可以去看看文档是怎么说的：

这是文档对这个返回值的描述。

erase 接口实现

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

我们来测试一下：

void test3() {
	xl::vector<int> v;
	v.push_back(1);
	v.push_back(2);
	v.push_back(3);
	v.push_back(4);

	xl::vector<int>::iterator it = v.begin();
	v.erase(it);

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

输出：

好像没什么问题，但其实并不是这样的，我们再来看一个场景：

void test3() {
	xl::vector<int> v;
	v.push_back(1);
	v.push_back(2);
	v.push_back(3);
	v.push_back(4);
	v.push_back(5);

	xl::vector<int>::iterator it = v.begin();
	while (it != v.end()) {
		v.erase(it);
		it++;
	}

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

输出：

怎么就崩了呢？

erase 以后，迭代器是有可能会失效的，我们试试库里的：

跑刚刚的代码：

实际上，VS的库里做了强制的检查，他不让我们访问 erase 之后的迭代器，

所以我们让 it++ 程序就报错了。

那库里是怎么处理的呢？

还得看看源码是怎么样的：

我们发现，他也是通过返回值来解决这个问题的，

我们也可以很容易的看出，返回值返回的就是原来位置的迭代器，

根据这个特性，我们测试一下：

void test3() {
	vector<int> v;
	v.push_back(1);
	v.push_back(2);
	v.push_back(3);
	v.push_back(4);
	v.push_back(5);

	vector<int>::iterator it = v.begin();
	while (it != v.end()) {
		it = v.erase(it);
	}

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

输出：

确实是都删除掉了，那我来改一改我们的代码：

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

 这样就没问题了：

pop_back 接口的实现

这个就直接复用 erase 就好了：

void pop_back() {
	erase(end() - 1);
}

resize 接口实现

这里我们先补充一个新知识：

C++ 有了模板之后，对内置类型有了升级，他们也可以使用构造函数初始化，

来看代码：

void test4() {
	int i = 0;
	int j = 1;

	int a = int();
	int b = int(1);

	cout << i << " " << j << " " << a << " " << b << endl;
}

输出：

好，我们再来看这个接口：

void resize(size_t n, const T& val = T()) {
	if (n < size()) {
		_finish = _start + n;
	}
	else {
		reseve();
		while (_finish != _start + n) {
			*_finish = val;
			_finish++;
		}
	}
}

这样我们给 val 缺省值的时候，就可以覆盖自定义类型和内置类型了。

vector 的接口当然不止这些，但是最核心的我们基本都实现了，其他的接口有兴趣再实现吧~

源码分享

Gitee链接：模拟实现简易STL: 模拟实现简易STL (gitee.com)

写在最后：

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