[ C++ ] STL _ Vector使用及其模拟实现

1.Vector的介绍

1.1 Vector的介绍

vector官方文档介绍

1.vector是表示可变大小数组的序列容器。

1. 就像数组一样，vector也采用的连续存储空间来存储元素。也就是意味着可以采用下标对vector的元素进行访问，和数组一样高效。但是又不像数组，它的大小是可以动态改变的，而且它的大小会被容器自动处理。

2. 本质讲，vector使用动态分配数组来存储它的元素。当新元素插入时候，这个数组需要被重新分配大小 为了增加存储空间。其做法是，分配一个新的数组，然后将全部元素移到这个数组。就时间而言，这是一个相对代价高的任务，因为每当一个新的元素加入到容器的时候，vector并不会每次都重新分配大小。

3. vector分配空间策略：vector会分配一些额外的空间以适应可能的增长，因为存储空间比实际需要的存储空间更大。不同的库采用不同的策略权衡空间的使用和重新分配。但是无论如何，重新分配都应该是对数增长的间隔大小，以至于在末尾插入一个元素的时候是在常数时间的复杂度完成的。

4. 因此，vector占用了更多的存储空间，为了获得管理存储空间的能力，并且以一种有效的方式动态增长。

5. 与其它动态序列容器相比（deque, list and forward_list）， vector在访问元素的时候更加高效，在末尾添加和删除元素相对高效。对于其它不在末尾的删除和插入操作，效率更低。比起list和forward_list统一的迭代器和引用更好

2.Vector的使用

vector在实际中非常重要且使用，因此我们需要熟悉使用常用的接口，以下将从常用的接口入手并进行模拟实现

vector模拟实现的基本结构：

template<class T>
class vector
{
public:
        typedef T* iterator;
        typedef const T* const_iterator;
        
        //无参构造
        vector()
            :_start(nullptr)
            , _finish(nullptr)
            , _endofstoage(nullptr)
        {}

        //资源管理
        ~vector()
        {
            if (_start)
            {
                delete[] _start;
                _start = _finish = _endofstoage = nullptr;
            }
        }

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

        size_t capacity() const
        {
            return _endofstoage - _start;
        }    
private:
        iterator _start;
        iterator _finish;
        iterator _endofstoage;
};

2.1 vector的定义

构造函数声明constructor接口说明
vector()（重点）

无参构造

vector (const vector& x); （重点）

拷贝构造

vector（size_type n, const value_type& val = value_type()）

构造并初始化n个val

vector (InputIterator first, InputIterator last);

使用迭代器进行初始化构造

//无参构造
vector()
    :_start(nullptr)
    , _finish(nullptr)
    , _endofstoage(nullptr)
{}

//拷贝构造
void swap(vector<T>& v)
{
    std::swap(_start, v._start);
    std::swap(_finish, v._finish);
    std::swap(_endofstoage, v._endofstoage);
}

//vector(const vector& v)
vector(const vector<T>& v)
    :_start(nullptr)
    , _finish(nullptr)
    , _endofstoage(nullptr)
{
    vector tmp(v.begin(), v.end());
    swap(tmp);
}

//初始化n个val 
vector(size_t n, const T& val = T())
    :_start(nullptr)
    , _finish(nullptr)
    , _endofstoage(nullptr)
{
    reserve(n);
    for (size_t i = 0; i < n; ++i)
    {
        push_back(val);
    }
}

//使用迭代化区间初始化
template <class InputIterator>
vector(InputIterator first, InputIterator last)
    :_start(nullptr)
    , _finish(nullptr)
    , _endofstoage(nullptr)
{
    while (first != last)
    {
        push_back(*first);
        ++first;
    }
}

2.2 vector 迭代器的使用

iterator的使用接口说明begin+end （重点）
获取第一个数据位置的iterator/const_iterator， 获取最后一个数据的下一个位置

的iterator/const_iterator
rbegin+rend（反向迭代器）
获取最后一个数据位置的reverse_iterator，获取第一个数据前一个位置的

reverse_iterator

iterator begin()
{
    return _start;
}
iterator end()
{
    return _finish;
}

const iterator begin() const
{
    return _start;
}
const iterator end() const
{
    return _finish;
}

2.3 vector的空间增长问题

容量空间接口说明size
获取数据个数
capacity
获取容量大小
empty
判断是否为空
resize（重点）
改变vector的size
reserve（重点）
改变vector的capacity

void resize(size_t n, T val = T())
{
    if (n > capacity())
    {

        reserve(n);
    }
    if (n > size())
    {
        while (_finish < _start + n)
        {
            *_finish = val;
            ++_finish;
        }
    }
    else
    {
        _finish = _start + n;
    }
}

void reserve(size_t n)
{
    size_t sz = size();
    if (n > capacity())
    {
        T* tmp = new T[n];
        if (_start)
        {
            //这里会造成浅拷贝问题
            //memcpy(tmp, _start, size() * sizeof(T));
            for (size_t i = 0; i < size(); ++i)
            {
                tmp[i] = _start[i];
            }

            delete[] _start; 
        }
        _start = tmp;
    }
    _finish = _start + sz;
    _endofstoage = _start + n;

}

注意：

1、我们在扩容的时候有一个小细节，capacity的容量扩容在vs和g++下分别运行是有区别的，在Vs下caoacity的扩容是按1.5倍增长的；在g++下是按2倍增长的。不能固化的认为，vector的增长都是2倍，具体增长的多少要根据需求定义。Vs是PJ盘本的STL，g++是SGI版本的STL。

//vs下
int main()
{
    vector<int> v;
    size_t sz = v.capacity();
    for (int i = 0; i < 100; ++i)
    {
        v.push_back(i);
        if (sz != v.capacity())
        {
            sz = v.capacity();
            cout << "capacity changed: " << sz << '\n';
        }
    }

    return 0;
}

3. vector的增删查改

*vector***增删查改 **

**接口说明 **

push_back（重点）
尾插
pop_back（重点）

尾删

**find **

查找。（注意这个是算法模块实现，不是vector的成员接口）

insert

在pos之前插入val

erase

删除pos位置的数据

swap

交换两个vector的数据空间

**operator[]**（重点）

像数组一样访问

3.1 push_back （重点）

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

            //insert(end(), x);
        }

方法：

1、实现要考虑是否需要扩容，如果 _finish == _endofstoage 则需要扩容

2、尾插元素， ++_finish

3.2 pop_back (重点)

pop_back比较简单，尾删的逻辑不是删除而是覆盖，因此只需要--_finish即可

        void pop_back()
        {
            if (_finish > _start)
            {
                --_finish;
            }
            //erase(end() - 1);
        }

3.3 insert

insert插入是在pos位置之前插入x

方法：

1、判断pos位置的合法性。

2、判断是否需要扩容，如果需要扩容则注意，这里会引发迭代器失效问题。

由于迭代器失效问题比较复杂，情况多样，我总结了一篇单独的博客供大家参考：

3、 挪动数据，由后往前走，让前一个覆盖后一个。

4、插入数据，++_finish， 返回pos位置

        iterator insert(iterator pos, const T& x)
        {
            //检查
            assert(pos >= _start && pos <= _finish);
            //空间不够  扩容
            //扩容以后 pos就失效了
            if (_finish == _endofstoage)
            {
                //使用相对距离来计算确定pos位置
                size_t n = pos - _start;
                size_t newCapacity = capacity() == 0 ? 4 : capacity() * 2;
                reserve(newCapacity);
                pos = _start + n;
            }

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

            return pos;
        }

3.4 erase

erase是删除pos位置的数据

方法：

1、判断pos位置的合法性。

2.、拿到pos位置下一个位置的迭代器，从前往后，后一个覆盖前一个。

3、最后--_finish，返回pos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;
        }

3.5 operator [ ]

重载的operator [ ] 就是取到pos位置对应的数据即可，比较简单

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

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

(本篇完)