​🌠 作者：@阿亮joy.
🎆专栏：《吃透西嘎嘎》
🎇 座右铭：每个优秀的人都有一段沉默的时光，那段时光是付出了很多努力却得不到结果的日子，我们把它叫做扎根

目录

• • 👉前言👈
  • 👉如何看源码👈
  • 👉vector 的模拟实现👈
  • • **vector 的主要框架**
    • 无参的拷贝构造
    • 正向迭代器
    • size 和 capacity
    • reserve 和 resize
    • push_back 和 pop_back
    • [ ] 运算符重载
    • insert 和 erase
    • front 和 back
    • swap 和 clear
    • 析构函数
    • 拷贝构造函数
    • 赋值运算符重载
    • 用 n 个 val 来构造
  • 👉memcpy 带来的浅拷贝问题👈
  • 👉总结👈

👉前言👈

我们接下来要模拟实现的 vector，主要参照源码来写。但也不是完全照抄源码，主要是实现 vector 核心的函数接口，知道 vector 的底层实现逻辑。

👉如何看源码👈

源码并不是每一行都要看懂，而是抓住源码的核心。那对于一个类，我们需要关注的是这个类的成员变量和核心的成员函数。而 vector 的成员函数我们不用太关心，因为 STL 要实现哪些函数接口是有规定的。

以下为 vector 源码的成员变量。


注：源码中的 vector 的成员变量都是迭代器，而 vector 的迭代器是指针。而我们之前写的 string 和顺序表都是T* a; size_t _size; size_t _capacity，那为什么源码要这么定义成员变量呢？见下图：

其实这两种定义成员变量的方式本质上是一致的，只是换了种玩法而已。

👉vector 的模拟实现👈

vector 的主要框架

namespace Joy
{templateclass  vector{public:typedef T* iterator;typedef const T* const_iterator;private:iterator _start;iterator _finish;iterator _endofstorage;};
}

为了避免跟库里的 vector 冲突了，我们用命名空间将我们自己实现的 vector 封装起来。

无参的拷贝构造

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

注：_start 指向第一个位置，_finish 指向最后一个元素的下一个位置，_endofstorage 指向最大容量的下一个位置。

正向迭代器

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

size 和 capacity

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

指针相减为两个指针之间的元素个数，所以_finish - _start 为 size，_endofstorage - _start为 capacity。当_start == _finish时，size 为0。

reserve 和 resize

void reserve(size_t n)
{if (n > capacity()){size_t oldSize = size();T* tmp = new T[n];// _start为nullptr时，不需要拷贝数据if (_start){memcpy(tmp, _start, sizeof(T) * oldSize);delete[] _start;}_start = tmp;_finish = tmp + oldSize;_endofstorage = tmp + n;}
}void resize(size_t n, T x = T())
{if (n > capacity()){reserve(n);}if (n > size()){while (_finish < _start + n){*_finish = x;++_finish;}}else{_finish = _start + n;}
}

reserve 函数接口说明

注：使用 memcpy 函数来拷贝数据会带来一些问题，我们在后面的内容会讲解。

如果没有oldSize来记录原来 size 的大小，就需要考虑成员变量的更新顺序了。见下方代码：

// 错误的更新方式:先更新_start
_start = tmp;
_finish = tmp + size(); 
_endofstorage = tmp + n;// 正确的更新方式:先更新_finish
_finish = tmp + size(); 
_start = tmp;
_endofstorage = tmp + n;

如果先更新_start的话，那么就无法通过size()来得到原来的size了，从而出现 BUG。所以我们可以用oldSize来记录size的大小，那么这样就没有更新成员变量的先后顺序问题了。当_start为nullstr时，，说明 vector 对象中没有数据，不需要拷贝数据；反之则通过 memcpy 函数来拷贝数据。最后更新相关成员变量的大小。

resize 函数接口说明

只有当n > capacity()时，才会去调整capacity的大小（采取不缩容的原则）。如果n > size()的话，就利用 while 循环插入x，这个过程_finish也刚好更新了。如果n <= size()的话，就只需要修改_finish为_start + n。

push_back 和 pop_back

void push_back(const T& x)
{if (_finish == _endofstorage){int newCapacity = capacity() == 0 ? 4 : capacity() * 2;reserve(newCapacity);}*_finish = x;++_finish;
}void pop_back()
{assert(!empty());--_finish;
}

push_back 函数接口说明

首先需要判断是否需要扩容，当_finish == _endofstorage时，容量已满，需要扩容。扩容之后，就插入数据，更新_finish。

pop_back 函数接口说明

先断言 vector 类对象是否为空，如果为空，就直接报错；如果不为空，就删除数据。

[ ] 运算符重载

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

函数接口功能测试

void vectorTest1()
{vector v;v.push_back(1);v.push_back(2);v.push_back(3);v.push_back(4);for (size_t i = 0; i < v.size(); ++i){cout << v[i] << " ";}cout << endl;vector::iterator it = v.begin();while (it != v.end()){cout << *it << " ";++it;}cout << endl;for (auto e : v){cout << e << " ";}cout << endl;v.pop_back();v.pop_back();v.pop_back();for (auto e : v){cout << e << " ";}cout << endl;
}void vectorTest2()
{vector v;v.resize(10, -1);for (auto e : v){cout << e << " ";}cout << endl;v.resize(5);for (auto e : v){cout << e << " ";}cout << endl;
}

insert 和 erase

// 迭代器失效：野指针问题
iterator insert(iterator pos, const T& x)
{assert(pos >= _start);assert(pos < _finish);if (_finish == _endofstorage){// 保存pos和_start的相对位置，避免迭代器失效问题size_t len = pos - _start;size_t newCapacity = capacity() == 0 ? 4 : capacity() * 2;reserve(newCapacity);// 扩容会导致pos迭代器失效，需要更新处理一下pos = _start + len;}// 挪动数据iterator end = _finish - 1;while (end >= pos){*(end + 1) = *end;--end;}*pos = x;++_finish;return pos;
}// STL规定erase返回删除位置下一个位置迭代器
iterator erase(iterator pos)
{assert(!empty());assert(pos >= _start);assert(pos < _finish);iterator begin = pos + 1;while (begin < _finish){*(begin - 1) = *begin;++begin;}--_finish;return pos;
}

insert 函数接口说明

注：insert 的返回值为新插入元素的位置。

首先要判断pos位置是否合法，然后插入数据。插入数据时，需要判断容量是否已满，是否需要扩容。如果需要扩容的话，则需要将pos和_start的相对距离保存为len。如果保存它们的相对距离的话，扩容将会造成迭代器失效，从而导致野指针问题。那为什么扩容就会带来迭代器失效的问题呢？因为扩容有可能是异地扩容的，异地扩容的话，那么pos就不会在_start和_finish之间。

所以，保存了pos和_start的相对距离，就可以在扩容后更新pos的值了，从而避免迭代器失效造成野指针问题。解决这个问题后，就移动数据，插入数据，更新_finish就行了。

现在，我们就写好了 insert 函数接口。那我想问大家一个问题，在我们插入数组后，find 函数返回的迭代器是否还可以再用，也就是说是否还可以对 it 进行读写操作。不能，因为也有可能带来野指针问题。那为什么会这样呢？因为插入数据时会发生异地扩容，然后迭代器 it 就会失效。有小伙伴就会说了，我们刚才不是已经解决了这个问题了吗。其实，我们只是解决了 insert 函数内部的迭代器失效问题，并未解决外部的迭代器失效问题，也就是说 it 不在_start和_finish之间了。

通过上图就可以清楚地看到，it 已经不在_start和_finish之间。这时候，对 it 进行读写操作就是纯纯的野指针问题。

erase 函数接口说明

进行相关的断言，挪动数据，更新_finish。

那我再想问大家一个问题，这里的迭代器 it 会不会失效呢？我们先来看一下 VS 对这一问题的判定。

可以看到，程序没有报错直接就崩掉了。所以 VS 认为这样是不行的。那么我们再去 Linux 下跑一下这段代码。

可以发现，这段代码是可以在 Linux 下跑过的。那我们再来试一下写能不能跑过。可以发现，写也没什么问题。

注：不同的编译器跑的结果一般不一样。

那迭代器 it 究竟是失效还是不生效呢？其实，我个人认为是失效的。

如果删除最后一个位置的元素，那么 it 就是v.end()。其实如果我们将要删除的元素改成5,后，代码在 Linux 下也能跑过。为什么呢？因为我们现在模拟实现的 vector 就是 Linux 下的 vector 源码。删除数据就只是指针减减一下，而 it 此时指向的位置不再是有效数据的位置，但是操作系统无法做到对每个位置的越界访问都进行检查，所以上面的代码可以跑过。

那我们再来验证一下，我们自己实现的 vector 是不是也可以在 VS 下跑过。

是不是可以跑过啊！！！那为什么用 VS 下的 vector 就不能跑过呢？原因就是 VS 的 vector 原码的迭代器并不是原生指针，而是函数调用（以后会讲解）。所以，我们应该认为 it 会失效，不要对其进行读写操作。

删除所有的偶数

void vectorTest5()
{vector v;v.push_back(1);v.push_back(2);v.push_back(2);v.push_back(3);v.push_back(4);v.push_back(6);auto it = v.begin();while (it != v.end()){if (*it % 2 == 0){it = v.erase(it);}else{it++;}}for (auto e : v){cout << e << " ";}cout << endl;
}

注：删除 it 位置后，我们需要接收一下 erase 函数的返回值，erase 函数的返回值为删除元素的下一个元素的位置。如果不接受 erase 函数的返回值，就会有可能出现各种情况。见下图：

注：我们要统一认为调用 erase(it) 函数后，迭代器 it 会失效。

front 和 back

T& front()
{assert(!empty());return *_start;
}const T& front() const
{assert(!empty());return *_start;
}T& back()
{assert(!empty());return *(_finish - 1);
}const T& back() const
{assert(!empty());return *(_finish - 1);
}

swap 和 clear

void swap(vector& v)
{std::swap(_start, v._start);std::swap(_finish, v._finish);std::swap(_endofstorage, v._endofstorage);}void clear
{_finish = _start;
}

注：swap 函数交换两个类对象成员变量的值就行了，clear 函数不能将 _start 置为 nullptr，否则将会造成内存泄漏问题。

析构函数

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

拷贝构造函数

传统写法1

vector(const vector& v)
{size_t Size = v.size();_start = new T[Size];for (size_t i = 0; i < Size; ++i){_start[i] = v._start[i];}_finish = _endofstorage = _start + Size;
}

注：该写法不能用 memcpy 函数来拷贝数据，因为这样会导致浅拷贝问题（将会在下面的内容讲解）。

传统写法2

vector(const vector& v): _start(nullptr), _finish(nullptr), _endofstorage(nullptr)
{reserve(v.capacity());//reserve(v.size());for (auto& e : v){push_back(e);}
}

注：该写法使用范围 for 来尾插数据，一定要加引用。因为 e 有可能是自定义类型，不用引用的话，会存在拷贝构造。

现代写法

// 用迭代器来构造对象
template 
vector(InputIterator first, InputIterator last): _start(nullptr), _finish(nullptr), _endofstorage(nullptr)
{while (first != last){push_back(*first);++first;}
}vector(const vector& v): _start(nullptr), _finish(nullptr), _endofstorage(nullptr)
{vector tmp(v.begin(), v.end());swap(tmp);
}

赋值运算符重载

// v1 = v2
// v1 = v1 极少数情况，且能保证正确性，所以这样写没有什么问题
vector& operator=(vector v)
{swap(v);return *this;
}

用 n 个 val 来构造

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

其实只写这个函数接口的话，会带来一个问题。我们来看一下。

我本来想要 10 个 1来构造出来一个 vector 对象，编译器怎么给我报了个非法间接寻址的错误呢？原因是在这，因为用迭代器去构造对象的函数比上面写的用 n 个 val 构造对象的函数更匹配（int 需要类型转换成 size_t，而迭代器模板构造函数不用类型转换），编译器会调用更加匹配的函数，所以就导致了非法间接寻址。

那如果我们就是想用 n 个 val 来构造对象的函数，应该解决呢？我们可以再多写个下面的函数来形成函数重载。

vector(int n, const T& val = T()): _start(nullptr), _finish(nullptr), _endofstorage(nullptr)
{reserve(n);for (int i = 0; i < n; ++i){push_back(val);}
}

👉memcpy 带来的浅拷贝问题👈

现在我们模拟实现的 vector 已经差不多完成了，那我们拿上一篇博客写的杨辉三角来验证一下我们写的 vector 对不对。

我们一运行起来，程序就崩溃了。为什么这样子呢？其实就是 memcpy 带来的浅拷贝问题。

为了分析方便，我们换一个例子来说明这个问题，然后再回过头来分析杨辉三角的问题。

可以看到，向 vv 尾插4个 v，没有任何的问题。那插入5个 v呢？

插入5个 v，就出现问题了。为什么呢？因为插入5个 v 就要扩容，而扩容就要将原来的数据拷贝到新空间里。reserve 函数里的拷贝数据是采用 memcpy 函数来拷贝数据，而 memcpy 函数是按照字节来拷贝的，是浅拷贝，而我们所想要的是深拷贝。原来问题就是出现在这里。那我们再调试起来看看。

那我们怎么解决这个问题呢？其实很简单，只需要修改一下 reserve 函数里的拷贝数据的形式就可以了。

void reserve(size_t n)
{if (n > capacity()){size_t oldSize = size();T* tmp = new T[n];// _start为nullptr时，不需要拷贝数据if (_start){//memcpy(tmp, _start, sizeof(T) * oldSize);for (size_t i = 0; i < oldSize; ++i){// 自定义类型需要深拷贝，调用其赋值运算符重载tmp[i] = _start[i];}delete[] _start;}_start = tmp;_finish = tmp + oldSize;_endofstorage = tmp + n;}
}

修改过后，我们的程序就可以跑起来了。那我们再来跑一下杨辉三角的程序，看能不能跑起来。

可以看到，杨辉三角的程序也是可以跑起来的，因为其问题也是扩容时的浅拷贝导致的。

完整代码

#pragma once
namespace Joy
{templateclass vector{public:typedef T* iterator;typedef const T* const_iterator;iterator begin(){return _start;}iterator end(){return _finish;}const_iterator begin() const{return _start;}const_iterator end() const{return _finish;}size_t size() const{return _finish - _start;}size_t capacity() const{return _endofstorage - _start;}vector(): _start(nullptr), _finish(nullptr), _endofstorage(nullptr){}vector(int n, const T& val = T()): _start(nullptr), _finish(nullptr), _endofstorage(nullptr){reserve(n);for (int i = 0; i < n; ++i){push_back(val);}}vector(size_t n, const T& val = T()): _start(nullptr), _finish(nullptr), _endofstorage(nullptr){reserve(n);for (size_t i = 0; i < n; ++i){push_back(val);}}template vector(InputIterator first, InputIterator last): _start(nullptr), _finish(nullptr), _endofstorage(nullptr){while (first != last){push_back(*first);++first;}}void swap(vector& v){std::swap(_start, v._start);std::swap(_finish, v._finish);std::swap(_endofstorage, v._endofstorage);}vector(const vector& v): _start(nullptr), _finish(nullptr), _endofstorage(nullptr){vector tmp(v.begin(), v.end());swap(tmp);}vector& operator=(vector v){swap(v);return *this;}~vector(){delete[] _start;_start = _finish = _endofstorage = nullptr;}T& operator[](size_t pos){assert(pos < size());return _start[pos];}const T& operator[](size_t pos) const {assert(pos < size());return _start[pos];}void reserve(size_t n){if (n > capacity()){int oldSize = size();T* tmp = new T[n];if (_start){for (size_t i = 0; i < oldSize; ++i){tmp[i] = _start[i];}delete[] _start;}_start = tmp;_finish = tmp + oldSize;_endofstorage = tmp + n;}}void resize(size_t n, const T& val = T()){if (n > capacity()){reserve(n);}if (n > size()){while (_finish < _start + n){*_finish = val;++_finish;}}else{_finish = _start + n;}}void push_back(const T& val = T()){if (_finish == _endofstorage){size_t newCapacity = capacity() == 0 ? 4 : capacity() * 2;reserve(newCapacity);}*_finish = val;++_finish;}void pop_back(){assert(!empty());--_finish;}bool empty() const{return _start == _finish;}iterator insert(iterator pos, const T& val){assert(pos >= _start);assert(pos < _finish);if (_finish == _endofstorage){size_t len = pos - _start;size_t newCapacity = capacity() == 0 ? 4 : capacity() * 2;reserve(newCapacity);pos = _start + len;}// Ųiterator end = _finish - 1;while (end >= pos){*(end + 1) = *end;--end;}*pos = val;++_finish;return pos;}iterator erase(iterator pos){assert(!empty());assert(pos >= _start);assert(pos < _finish);iterator begin = pos + 1;while (begin < _finish){*(begin - 1) = *begin;++begin;}--_finish;return pos;}void clear(){_finish = _start;}private:T* _start;T* _finish;T* _endofstorage;};
}

👉总结👈

本篇博客讲解了 vector 的模拟实现，带大家理解 vector 的底层实现。那么以上就是本篇博客的全部内容了，如果大家觉得有收获的话，可以点个三连支持一下！谢谢大家！💖💝❣️