C++超詳細講解模擬實現vector
1. 模擬實現vector
我們模擬實現是為瞭加深對這個容器的理解，不是為瞭造更好的輪子。
快速搭一個vector的架子
// vector.h
#pragma once
#include <assert.h>
// 模擬實現 -- 加深對這個容器理解，不是為瞭造更好的輪子
namespace Yuucho
{
template<class T>
class vector
{
public:
typedef T* iterator;
typedef const T* const_iterator;
vector()
:_start(nullptr)
, _finish(nullptr)
, _endofstorage(nullptr)
{}
// 迭代器區間來構造，用模板的原因是存儲的類型多種多樣
template <class InputIterator>
vector(InputIterator first, InputIterator last)
: _start(nullptr)
, _finish(nullptr)
, _endofstorage(nullptr)
{
while (first != last)
{
push_back(*first);
++first;
}
}
// 用n個T去構造，但是會隱藏匹配問題
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);
}
}
void swap(vector<T>& v)
{
std::swap(_start, v._start);
std::swap(_finish, v._finish);
std::swap(_endofstorage, v._endofstorage);
}
//拷貝構造函數
vector(const vector<T>& v)
: _start(nullptr)
, _finish(nullptr)
, _endofstorage(nullptr)
{
vector<T> tmp(v.begin(), v.end());
swap(tmp);
}
// 拷貝賦值函數
vector<T>& operator=(vector<T> v)
{
swap(v);
return *this;
}
// 資源管理
~vector()
{
if(_start)
{
delete[] _start;
_start = _finish = _endofstorage = nullptr;
}
}
iterator begin()
{
return _start;
}
iterator end()
{
return _finish;
}
const_iterator begin() const
{
return _start;
}
const_iterator end() const
{
return _finish;
}
// 默認是內聯，頻繁調用不用擔心棧幀消耗
size_t size() const
{
return _finish - _start;
}
size_t capacity() const
{
return _endofstorage - _start;
}
void reserve(size_t n)
{
}
//void resize(size_t n, const T& val = T())
void resize(size_t n, T val = T())
{
}
void push_back(const T& x)
{
}
void pop_back()
{
}
T& operator[](size_t pos)
{
assert(pos < size());
return _start[pos];
}
const T& operator[](size_t pos) const
{
assert(pos < size());
return _start[pos];
}
iterator insert(iterator pos, const T& x)
{
}
void clear()
{
_finish = _start;
}
private:
iterator _start;
iterator _finish;
iterator _endofstorage;
};
}
2. vector常用接口
2.1 reserve
跟string的擴容思路一樣。一般不考慮縮容(n<capacity)，因為這是時間換空間的做法，我們要的是效率。
錯誤代碼:
void reserve(size_t n)
{
// 一般不考慮縮容(n<capacity)
if(n > capacity())
{
T* tmp = new T[n];
// capacity為0,n就是4(_endofstorage、_start都為nuptr)
// 有數據才拷貝
if(_start)
{
memcpy(tmp, _start, size()*sizeof(T));
delete[] _start;
}
_start = tmp; // 註意,這裡start位置變瞭
}
// 更新_finish、_endofstorage
_finish = _start + size(); // size():_finish - _start, _finish還是空指針
_endofstorage = _start + capacity; //capacity起始為0,也不對
}
修正後的代碼:
void reserve(size_t n)
{
// 記錄size
size_t sz = size();
if(n > capacity())
{
T* tmp = new T[n];
if(_start)
{
//memcpy還會隱藏更深層次的深淺拷貝問題，講解在最後
memcpy(tmp, _start, size()*sizeof(T));
delete[] _start;
}
_start = tmp; // 註意,這裡start位置變瞭
}
// 更新_finish、_endofstorage
_finish = _start + sz;
_endofstorage = _start + n;
}
2.2 resize
resize是開空間+初始化，size_type就是size_t，value_type就是T。
C++模板出來瞭語法就必須支持內置類型的默認構造、析構函數。
int() // 默認構造是0
double() // 默認構造是0.0
int*() // 默認構造是nullptr
思路與string一樣
//void resize(size_t n, const T& val = T()) 嚴格的編譯器編不過,它認為T是臨時對象
// 按照庫裡的寫法
void resize(size_t n, T val = T()) // T類型的匿名對象，默認構造函數很重要,內置類型咋辦？
{
if (n > capacity())
{
reserve(n);
}
if (n > size())
{
while (_finish < _start + n)
{
*_finish = val;
++_finish;
}
}
// n < capacity就是刪除數據
else
{
_finish = _start + n;
}
}
2.3 push_back
void push_back(const T& x)
{
// 滿瞭先擴容
if(_finish == _endofstorage)
{
size_t newCapacity = capacity() == 0 ? 4 : capacity() * 2;
reserve(newCapacity);
}
// 插入數據
*_finish = x;
++_finish;
}
復用insert:
void push_back(const T& x)
{
insert(end(), x);
}
2.4 pop_back()
void pop_back()
{
// 如果不為空
if(_finish > _start)
{
--_finish;
}
}
復用erase:
void pop_back()
{
erase(end()-1);
}
2.5 insert
庫裡面的insert是帶返回值的，我們先不管，先寫一個沒有返回值的看看。
void insert(iterator pos, const T& x)
{
// 檢查參數
assert(pos >= _start && pos <= _finish);
// 擴容
if (_finish == _endofstorage)
{
size_t newCapacity = capacity() == 0 ? 4 : capacity() * 2;
reserve(newCapacity);
}
// 挪動數據
iterator end = _finish - 1;
while (end >= pos)
{
*(end + 1) = *end;
--end;
}
*pos = x;
++_finish;
}
(1) 迭代器失效第一種場景
yeahbaby，現在我們就可以來講講迭代器失效的問題瞭，嘿嘿嘿。
如果插入時沒有擴容，ok，那還好說，沒有問題。
如果擴容瞭，reserve會去更新_start和_finish，而不會去更新pos(pos還是會指向舊空間，迭代器發生瞭野指針問題)。在VS環境下，會用斷言暴力檢查出來的。在Linux環境下，檢查不出來這種情況，甚至對原來的it仍然可讀可寫。
ok，那我們在擴容時更新一下pos：
if (_finish == _endofstorage)
{
size_t n = pos - _start;
size_t newCapacity = capacity() == 0 ? 4 : capacity() * 2;
reserve(newCapacity);
pos = _start + n;
}
(2)另一種場景
void test_vector1()
{
// 在所有的偶數的前面插入2
vector<int> v;
//v.reserve(10);
v.push_back(1);
v.push_back(2);
v.push_back(3);
v.push_back(4);
v.push_back(5);
v.push_back(6);
vector<int>::iterator it = v.begin();
while (it != v.end())
{
if (*it % 2 == 0)
{
it = v.insert(it, 20);
++it;
}
++it;
}
for (auto e : v)
{
cout << e << " ";
}
cout << endl;
}
}
運行結果
導致斷言錯誤的原因是啥？為什麼不能在2的前面插入20？
同樣的道理，雖然我們修正瞭pos，但是我們是值傳遞，形參不會改變實參。所以it仍然是野指針。在VS環境下，會用斷言暴力檢查出來的。在Linux環境下，檢查不出來這種情況，甚至對原來的it仍然可讀可寫。
有小夥伴就會說瞭，傳引用不就行瞭嗎？
我們是不會用引用的，官方庫也沒有用引用。因為我要傳的是像v.begin()這樣的臨時對象怎麼辦。
更悲傷的是就算我提前把空間給你開好，保證插入時不需要擴容還是會出現問題。因為insert是在2之前插入20，++it後it仍指向2，這樣就導致不斷地在2之前插入20。這也是迭代器失效的一種場景。
修正後的代碼:
用返回值解決，官方庫裡返回的是指向新插入的第一個元素的迭代器。 那我們也這樣返回。
iterator insert(iterator pos, const T& x)
{
// 檢查參數
assert(pos >= _start && pos <= _finish);
// 擴容
// 擴容以後pos就失效瞭,需要更新一下
if (_finish == _endofstorage)
{
size_t n = pos - _start;
size_t newCapacity = capacity() == 0 ? 4 : capacity() * 2;
reserve(newCapacity);
pos = _start + n;
}
// 挪動數據
iterator end = _finish - 1;
while (end >= pos)
{
*(end + 1) = *end;
--end;
}
*pos = x;
++_finish;
return pos;
}
此時我們這樣使用就行：
while (it != v.end())
{
if(*it % 2 == 0)
{
// 返回新插入的第一個元素的迭代器
it = v.insert(it, 20);
//還是指向2
++it;
}
// 指向2的後一位
++it;
}
運行結果
2.6 erase
一般vector刪除數據，都不考慮縮容的方案。
縮容方案：size() < capacity()/2時，可以考慮開一個size()大小的空間，拷貝數據，釋放舊空間。
縮容方案本質是時間換空間。一般設計都不會考慮縮容，因為實際比較關註時間效率，不關註空間效率，因為現在硬件設備空間都比較大，空間存儲也比較便宜。
我們這裡不考慮縮容方案。
erase返回最後一個被釋放元素的後一個元素的新位置。
iterator erase(iterator pos)
{
assert(pos >= _start && pos < _finish);
iterator it = pos + 1;
while (it != _finish)
{
*(it - 1) = *it;
++it;
}
//erase最後一個數據，則pos==_finish，pos真失效瞭，但仍然屬於這個容器
--_finish;
return pos;
}
VS中的vector也沒有考慮縮容方案，但是它對pos(如果縮容，pos就是野指針)進行瞭斷言檢查，不允許訪問和寫入。
(1)erase迭代器的失效都是意義變瞭，或者不在有效訪問數據的范圍。
(2)一般不會使用縮容的方案，那麼erase的失效，一般也不存在野指針的失效。
erase(pos)以後pos失效瞭，pos的意義變瞭，但是不同平臺下面對訪問pos的反應不一樣。VS會強制檢查，Linux則沒有嚴格的檢查機制。我們用的時候一定要小心，統一以失效角度去看待。
erase迭代器意義變瞭的場景(假設我們要刪除容器中的偶數)：
2.7 構造函數的匹配問題
迭代器區間的構造函數的參數要求是同類型的，而第一個構造函數的第一個參數是size_t，int會涉及隱式類型轉換。所以參數為(10,2)的會匹配迭代器區間的構造函數，而參數為(10, ‘x’)的會匹配第一個構造函數。
這裡就會導致int類型被當作迭代器解引用，本質上是發生瞭構造函數的錯配問題。
解決方法：
源碼是通過再寫一個第一個參數為int類型的構造函數來解決的。
vector(int n, const T& val = T())
: _start(nullptr)
, _finish(nullptr)
, _endofstoage(nullptr)
{
reserve(n);
for (int i = 0; i < n; ++i)
{
push_back(val);
}
}
3. 更深層次的深淺拷貝問題
以楊輝三角為例：
class Solution {
public:
vector<vector<int>> generate(int numRows) {
vector<vector<int>> vv;
// 先開辟楊輝三角的空間
vv.resize(numRows);
//初始化每一行
for(size_t i = 0; i < numRows; ++i)
{
//每行個數依次遞增
vv[i].resize(i+1, 0);
// 每一行的第一個和最後一個都是1
vv[i][0] = 1;
vv[i][vv[i].size()-1] = 1;
}
for(size_t i = 0; i < vv.size(); ++i)
{
for(size_t j = 0; j < vv[i].size(); ++j)
{
if(vv[i][j] == 0)
{
//之間位置等於上一行j-1和j個相加
vv[i][j] = vv[i-1][j-1] + vv[i-1][j];
}
}
}
return vv;
}
};
我們自己寫的vector去跑這裡的楊輝三角會出現問題。
void test_vector2()
{
vector<vector<int>> ret = Solution().generate(5);
for (size_t i = 0; i < ret.size(); ++i)
{
for (size_t j = 0; j < ret[i].size(); ++j)
{
cout << ret[i][j] << " ";
}
cout << endl;
}
cout << endl;
}
為瞭方便大傢理解，我們把擴容的代碼拿下來。
void reserve(size_t n)
{
// 記錄size
size_t sz = size();
if(n > capacity())
{
T* tmp = new T[n];
if(_start)
{
memcpy(tmp, _start, size()*sizeof(T));
delete[] _start;
}
_start = tmp; // 註意,這裡start位置變瞭
}
// 更新_finish、_endofstorage
_finish = _start + sz;
_endofstorage = _start + n;
}
vector<vector<int>> ret = Solution().generate(5);會去調用拷貝構造，拷貝構造又去調用瞭迭代器的區間構造函數，迭代器區間構造函數又去調用瞭push_back，push_back又去調用瞭reserve。
因為push_back我們第一次開的空間是4，所以前4次的push_back都不會有問題，第5次push_back去調用reserve時就會出現問題。
因為擴容的時候tmp會把前4組的vector<int>數據memcpy下來，而memcpy是淺拷貝，拷貝下來的數據和原來的數據指向的是同一塊空間。關鍵是memcpy後又delete瞭舊空間，導致插入第5個vector<int>時前4組的數據被釋放瞭，成瞭野指針。
解決方法:
拷貝的時候不要用memcpy，使用拷貝賦值函數來完成，因為賦值函數會幫我們完成深拷貝。
void reserve(size_t n)
{
// 記錄size
size_t sz = size();
if(n > capacity())
{
T* tmp = new T[n];
if(_start)
{
//防止淺拷貝問題3
for (size_t i = 0; i < size(); ++i)
{
tmp[i] = _start[i];
}
delete[] _start;
}
_start = tmp; // 註意,這裡start位置變瞭
}
// 更新_finish、_endofstorage
_finish = _start + sz;
_endofstorage = _start + n;
}
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