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C++入门之vector的底层实现 C++入门之vector的底层实现详解

捕获一只小肚皮   2021-11-18 我要评论
想了解C++入门之vector的底层实现详解的相关内容吗捕获一只小肚皮在本文为您仔细讲解C++入门之vector的底层实现的相关知识和一些Code实例欢迎阅读和指正我们先划重点:C++入门,C++vector底层实现下面大家一起来学习吧

前言

上一小节,我们讲解了vector的使用,也大概了解了其创建对象,增删改查数据等操作.那么今天,我们就来大致实现一下吧.

定义初始结构

在标准C++中,vector同样是一个模板,并且其底层实现用的是三个指针,然后利用这三个指针相互加减,达到存储效果.

而vector和string类似,本质是都是一个顺序表.

template <class T>
class vector
{
public:
    ~vector()
    {
        delete _start;
        _start = _finish = _end_of_storage = nullptr;
    }
private:
    T* _start;         //顺序表的头
    T* _finish;        //顺序表有效长度位置
    T* _end_of_storage; //顺序表末尾
};

声明构造函数

上一章节已经讲解,构造函数比较多,这里只是为了简单实现,所以博主就实现一个最简单的构造函数,即无参构造.

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

容量有关操作

获取有效数据大小size()

想要获取size,该怎么实现呢?我们在定义初始结构的时候,已经知道其底层是利用的三个指针,所以size等于_finish - _start.

size_t size() const    //加const是保证const对象也可以用
{
    return _finish - _start;
}

获取数据容量capacity()

同样的道理,capacity就应是_end_of_storage - _start;

size_t capacity() //加const是保证const对象也可以用
{
    return _end_of_storage - _start;
}

增加容量reserve()

我们在后面会实现一个接口,叫做push_back(),它的作用是把数据放进vector,但如果空间不足了呢?这就需要我们的增容函数reserve了.

其参数是无符号整型n,代表要开n个空间

void reserve(size_t n)
{
    if (n > capacity())
    {
        T* tmp = new T[n];               //先开辟一块空间
        size_t sz = size();              //保留原来的有效数据大小,且一定要先保存
        if (_start)        //一定要判断这个,因为最开始_start为空,那么就只需要开空间
        {
            memcpy(tmp, _start, sizeof(T) * n);  //把原来的数据拷贝进新空间
            delete _start;  //释放原来的空间
        }
        _start = tmp;                    //移交空间
        _finish = _start + sz;           //更新_finish
        _end_of_storage = _start + n;    //更新_end_of_storage
    }
}

重置大小resize()

这个想必大家现在已经比较习惯了吧?他有两个参数,会分情况讨论是否大于size()而进行参数赋值.

void resize(size_t n,const T& val = T())
{
    if(n>capacity()) reserve(n);
    for(size_t i = size();i<n;i++)
    {
        _start[i] = val;
    }
    _finish = _start + n;    
}

迭代器

前面讲解string的时候说过,现阶段我们就把迭代器当做一个指针,**虽然指针一定是迭代器,但是迭代器不一定是指针.**但是目前阶段我们用到的迭代器就是一个指针,因此这里便直接定义迭代器了

typedef T* iterator;              //普通迭代器
typedef const T* const_iterator;  //const迭代器
//因此返回首尾迭代器的接口,博主便一并写下来
iterator begin() {return _start;}
iterator end() {return _finish;}        //普通接口
const_iterator begin() const {return _start;}
const_iterator end() const {return _finish;}  //const接口

数据操作

尾插push_back()

该接口的实现操作一般是先检查容量是否充足,然后把数据放进去,最后size大小加一.

void push_back(const T& val)
{
    if(size() == capacity())
    {
        size_t newcapacity = size()==0?4:capacity()*2;  //需要考虑到size是否有可能为0的情况
        reserve(newcapacity);
    }
    *_finish = val;
    _finish++;
}

尾删pop_back()

实现该接口的操作一般是先检查是否还存在数据,然后size大小减一

void pop_back()
{
    assert(size()>0);
    _finish--;
}

某一位置插入 insert()

同样的道理,一般先检查容量是否充足,如果不够,需要警惕迭代器失效问题,然后移动该位置及以后的所有数据,最后插入数据.

官方文档定义其返回值为新插入数据的位置

iterator insert(iterator pos,const T& val)
{
    assert(pos>=_start && pos <= _finish);
    if(_finish == _end_of_storage)
    {
        int n = pos - _start;
        size_t newcapacity = 0 ? 4 :capacity()*2;
        pos = _start + n;      //防止pos迭代器失效
    }
    iterator cur = end();
    while(cur > pos)
    {
        *cur = *(cur-1);
        cur--;
    }
    *pos = val;
    _finish++;
    return pos;
}

某一位置删除 erase()

该接口的操作一般是从pos后位置开始,所有数据前挪一单位.但是在挪之前,需要检查是否还存在数据

官方文档定义其返回值为删除数据的下一位置

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

拷贝构造

vector(const vector<T>& v):_start(nullptr), _finish(nullptr), _end_of_storage(nullptr)
{
    reserve(v.capacity());
    for (const auto& e : v)
    {
        push_back(e);
    }
}

[]访问操作

上面我们实现了迭代器,但是vector还支持[]索引取值,博主这里便实现两个[]重载吧

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

=赋值操作

vector<T>& operator=(vector<T> v)    //注意哦~,我这里故意写的传值参数,而不是引用,是为了下面进行交换
{
    swap(*this,v);
    return *this;
}

特别注意!!!

在实现了上面的一系列操作以后,有没有觉得我们已经大功告成了?其实这里还隐藏着一个小小bug!.为什么呢?看下面'

int main()
{
    //我们假设最开始创建的vector的容量是4
	vector<string> vc;
	vc.push_back("123");    //创建vc,并给其赋值
    vc.push_back("234");
    vc.push_back("345");
    vc.push_back("456");
    vc.push_back("567");
    return 0;
}

初一看,好像并没有什么错误哎?但是一运行就会发现,当插入第5个元素的时候,就报错了.这是什么原因呢?

调试发现,问题出在了reserve上面,因为push_back之前,会检查容量,那么我们现在重新瞅瞅 reserve存在什么问题呢?

void reserve(size_t n)
{
    if (n > capacity())
    {
        T* tmp = new T[n];               //先开辟一块空间
        size_t sz = size();              //保留原来的有效数据大小,且一定要先保存
        if (_start)        //一定要判断这个,因为最开始_start为空,那么就只需要开空间
        {
            memcpy(tmp, _start, sizeof(T) * n);  //把原来的数据拷贝进新空间
            delete _start; //释放原来的空间
        }
        _start = tmp;                    //移交空间
        _finish = _start + sz;           //更新_finish
        _end_of_storage = _start + n;    //更新_end_of_storage
    }
}

大家有发现什么问题了吗?

没错,问题出现在memcpy上面,当容量不足,reserve就会增加容量,然后把原来空间的内容值拷贝到新空间.

但是原来空间的内容也就只有三个指针呀,拷贝过去后,新空间和源空间都指向了同一块空间,而我们又会释放原空间.

所以,当继续尾插第5个元素时候,就报错了,因为空间已经不存在了!!!,被释放了.

那怎么解决呢?这里便只能用循环,把string值赋给新空间了.

void reserve(size_t n)
{
    if (n > capacity())
    {
        size_t sz = size();
        T* tmp = new T[n];
        if (_start)
        {
            for (size_t i = 0; i < sz; ++i)
            {	
                tmp[i] = _start[i];
            }
            delete[] _start;
        }
        _start = tmp;
        _finish = _start + sz;
        _endofstorage = _start + n;
    }

总结

本篇文章就到这里了希望能够给你带来帮助也希望您能够多多关注的更多内容!


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