c++领域展开第十七幕——STL（vector容器的模拟实现以及迭代器失效问题）超详细！！！！

在这里插入图片描述

文章目录

  • 前言
  • vector——基本模型
  • vector——迭代器模拟实现
  • vector——容量函数以及push_back、pop_back
  • vector——默认成员函数
  • vector——运算符重载
  • vector——插入和删除函数
  • vector——实现过程的问题
    • 迭代器失效
    • memcpy的浅拷贝问题
  • 总结

前言

上篇博客我们已经详细介绍了vector 以及它的各种函数还有使用方法
了解这一流程我们已经过去啦，下面就是自己模拟实现一下我们的vector
在模拟实现vector过程中，还是有很多细节要处理的
‘话不多说 fellow me

vector——基本模型

首先就是自定义一个vector类，我们把它放在自定义的空间命名域，然后给定相应的成员以及函数，像默认成员函数，还有自定义变量
构造函数，拷贝构造，析构函数，在实现这些函数前，我们先来实现一些前置函数，能让这些默认成员复用

下面是vector最初始的样子，只有自定义成员变量

namespace xxx
{template<class T>class vector{public:			typedef T* iterator;   //  因为vector 会支持迭代器访问，所以我们这里定义 T*  private:iterator _start = nullptr;    //  _start  ,  _finish  相当于vector的开头和末尾的指针iterator _finish = nullptr;iterator _end_of_storage = nullptr; // 这个带表边界  vector的容量边界};
}

vector——迭代器模拟实现

vector支持迭代器访问，我们先来简单实现一下迭代器

// 指向数据不能修改，本身可以修改
typedef const T* const_iterator;   //  普通迭代器和const迭代器  
iterator begin()
{return _start;
}iterator end()
{return _finish;
}const_iterator begin() const
{return _start;
}const_iterator end() const
{return _finish;
}

vector——容量函数以及push_back、pop_back

再来实现一下 reserve（扩容）函数 还有 resize（控制size） push_back 以及 pop_back

size_t size() const   //返回大小
{return _finish - _start;
}
size_t capacity() const  // 返回容量 
{return _end_of_storage - _start;
}
void reserve(size_t n)
{if (n > capacity()){size_t oldSize = size(); // 记住之前的sizeT* tmp = new T[n];memcpy(tmp, _start, sizeof(T) * oldSize);  // 拷贝时，拷贝之前的 size大小的内容delete[] _start;  // 释放空间_start = tmp;_finish = _start + oldSize;_end_of_storage = _start + n;   // 赋值给扩容后的vector}
}void resize(size_t n, const T& val = T())
{if (n < size())  // 如果n 小于当前的size{_finish = _start + n;  // 直接定义尾指针}else{reserve(n);  // 直接扩容到 nwhile (_finish != _start + n)  //  ——finish指针后移{*_finish = val;++_finish;}}
}
void push_back(const T& x)  // 插入函数
{if (_finish == _end_of_storage) // 判断当前大小 是否需要扩容{reserve(capacity() == 0 ? 4 : capacity() * 2);}*_finish = x;++_finish;
}
void pop_back()  // 删除函数
{assert(_finish > _start);--_finish;  // 直接--_finish
}

vector——默认成员函数

上面这些函数实现之后，我们的默认成员函数实现起来就方便了

vector()
{}
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intresize(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);
}
vector(const vector<T>& v)   //  拷贝构造函数  
{reserve(v.size());for (auto& e : v){push_back(e);}
}
~vector()  //  析构函数
{delete[] _start;_start = _finish = _end_of_storage = nullptr;
}

多种构造函数，拷贝构造，析构函数，感觉都是在复用已经实现的一些函数
实现起来还是简单的

vector——运算符重载

有了前面的函数做铺垫，我们可以来实现运算符重载了，vector有点像数组一样，数组支持随机访问
那我们的vector也应该支持 [ ] 的随机访问，我这里主要实现了 [ ]运算符重载 还有赋值运算符重载
其中赋值运算符可是大有门道，复用函数在这里得到了很好的展现

T& operator[](size_t i)
{assert(i < size());return _start[i];
}const T& operator[](size_t i) const
{assert(i < size());return _start[i];
}
// v1 = v3;  vector<T>& operator=(const vector<T>& v)  // 正常写法
{if (this != &v)   //  判断是不是和本身一样{delete[] _start;   //  释放this指针的_start_start = _finish = _end_of_storage = nullptr;   // 再重新赋值reserve(v.size());  // 扩容for (auto& e : v)   //插入参数{push_back(e);}}return *this;
}
//  比起正常写法，不用那么麻烦，我们直接复用库函数的swap
void swap(vector<T>& v)   //  这个函数还可以用到两个对象 swap  
{std::swap(_start, v._start);  //   直接把两个对象的变量交换   std::swap(_finish, v._finish);//   通过 swap 交换资源，避免手动管理内存std::swap(_end_of_storage, v._end_of_storage);
}
// v1 = v3;
vector<T>& operator=(vector<T> v)  //  现代写法  直接复用库函数的swap
{				//  这里不传引用  传临时参数  v3是不用修改的//this->swap(v);swap(v);return *this;
}

vector——插入和删除函数

最后就剩下插入和删除函数啦，其中也是有一些细节的

// 迭代器失效  
void insert(iterator pos, const T& x)
{assert(pos >= _start);assert(pos <= _finish);// 满了就扩容，导致pos失效，失效后不能使用，更新后才能使用if (_finish == _end_of_storage){size_t len = pos - _start;  //  这里保留原来的长度， 在扩容之后，相当于保存了pos的位置reserve(capacity() == 0 ? 4 : capacity() * 2);//  不然pos位置会丢失pos = _start + len;}iterator it = _finish - 1;while (it >= pos)//  vector内容后移{*(it + 1) = *it;--it;}*pos = x;++_finish;
}iterator erase(iterator pos)// 删除函数
{assert(pos >= _start);assert(pos < _finish);iterator it = pos + 1;while (it < _finish)   // vector内容前移  直接覆盖pos的位置{*(it - 1) = *it;++it;}--_finish;return pos;
}

到这里vector的函数基本实现的差不多了
但是还是有一些问题的

vector——实现过程的问题

在实现插入函数时，会有扩容的操作，会导致pos发生变化，虽然已经解决，但是在程序中的迭代器会失效
引入第一个问题——迭代器失效

迭代器失效

迭代器的主要作用就是让算法能够不用关心底层数据结构，其底层实际就是一个指针，或者是对指针进行了封装，比如：vector的迭代器就是原生态指针T* 。因此迭代器失效，实际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)。

对于vector可能会导致其迭代器失效的操作有：

  1. 会引起其底层空间改变的操作，都有可能是迭代器失效，比如：resize、reserve、insert、assign、push_back等。
#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
  1. 指定位置元素的删除操作–erase
#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iteratorvector<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/*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();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// 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  解决问题}else{++it;}}for (const auto& e : v1){cout << e << " ";}cout << endl;return 0;
}

迭代器失效的问题到这里就结束了，还有一个小问题

memcpy的浅拷贝问题

下面我们运行一下这样的程序

int main()
{xxx::vector<string> v1;v1.push_back("1111111111111111111111111");v1.push_back("1111111111111111111111111");v1.push_back("1111111111111111111111111");v1.push_back("1111111111111111111111111");   v1.push_back("1111111111111111111111111");  for (const auto& e : v1){cout << e << " ";}cout << endl;return 0;
}

在这里插入图片描述
显示的是这样的情况，百思不得其解，一开始以为是push_back的问题，但是慢慢调试下来，push_back是没有问题的
后面发现问题出在memcpy这个函数，我们在扩容的时候，使用了memcpy

void reserve(size_t n)
{if (n > capacity()){size_t oldSize = size(); // 记住之前的sizeT* tmp = new T[n];memcpy(tmp, _start, sizeof(T) * oldSize);  // 拷贝时，拷贝之前的 size大小的内容delete[] _start;  // 释放空间_start = tmp;_finish = _start + oldSize;_end_of_storage = _start + n;   // 赋值给扩容后的vector}
}

后面才知道memcpy是浅拷贝 释放空间时会多次析构，那程序不就崩溃了吗？？
重新实现了一下扩容函数

void reserve(size_t n)
{if (n > capacity()){size_t oldSize = size();T* tmp = new T[n];//memcpy(tmp, _start, sizeof(T) * oldSize);   memcpy是浅拷贝  释放空间时会多次析构   for (size_t i = 0; i < oldSize; i++)  //  这里直接赋值，会调用拷贝函数，那就是深拷贝了{tmp[i] = _start[i];}delete[] _start;_start = tmp;_finish = _start + oldSize;_end_of_storage = _start + n;}
}

完美解决
如果拷贝的是自定义类型的元素，memcpy既高效又不会出错，但如果拷贝的是自定义类型元素，并且自定义类型元素中涉及到资源管理时，就会出错，因为memcpy的拷贝实际是浅拷贝。
如果对象中涉及到资源管理时，千万不能使用memcpy进行对象之间的拷贝
因为memcpy是浅拷贝，否则可能会引起内存泄漏甚至程序崩溃。
下面的链接是完全体的vector模拟实现，大家有兴趣可以看看，在 vector.h 文件中
vector

总结

在模拟实现vector过程中，使用了 size_t 和 int 版本的 构造函数，避免了负数隐式转换的风险，确保类型安全
在实现赋值重载时，通过复用库函数的swap，通过 swap 交换资源，避免手动管理内存
在迭代器失效方面，深究文档，慢慢找出解决的办法，迭代器失效还是能处理的
最后就是memcpy是浅拷贝，要注意memcpy的使用场景，注意内存的多次析构问题和泄漏
模拟实现下来，还是发现了很多问题的，慢慢解决出现的问题，慢慢提升自己的debug能力，加油
今天就到这里啦，不要走开，小编持续更新中~~~~

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