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C++—vector类的使用及模拟实现

news 来源：原创 2025/6/7 19:38:55

目录

1、什么是vector

2. vector的使用

2.1 vector的构造

2.2 迭代器

2.3 vector与容量相关的函数

2.4 vector 增删查改

2.4.1 find、sort和swap

2.4.2 insert和erase

3、vector的模拟实现注意事项

3.1 vector迭代器失效问题

3.2 erase-指定位置元素的删除操作

4、vector的模拟实现

4.1 vector的成员变量

4.2 vector容量相关函数

4.3 构造和析构函数

5、总结

1、什么是vector

在C++中，vector是标准模板库（STL）中一个动态数组容器，支持自动内存管理、随机访问和动态扩容。

vector底层基于连续内存实现，支持像数组那样通过下标随机访问。大小可动态调整，元素在内存中连续存储（类似于原生数组）。

vector并不是一个类，是一个类模板，需要实例化后才是类。

与其他容器相比，vector在头部或中间位置效率低，需要多次这种操作时需要考虑其他容器。

stl库里vector类的第二个模板参数是内存池，这个参数能提高空间利用效率。

2. vector的使用

2.1 vector的构造

vector<int> v1;
//构造并初始化10个值为6的顺序表
vector<int> v2(10,6);
//拷贝构造
vector<int> v3(v2);

使用迭代器初始化

string str("vector");
vector<string> v1(str.begin(),str.end());

常见的构造接口

函数声明功能
vector()（常用）无参构造
vector
（size_type n, const value_type& val = value_type()）		构造并初始化n个val
vector (const vector& x)（常用）拷贝构造
vector (InputIterator first, InputIterator last)使用迭代器进行初始化构造

2.2 迭代器

函数声明功能
begin+end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

这里的迭代器和string一样，使用方法都相同

vector<int> v1{1,2,3,4,5};
vector<int>::iterator it = v1.begin();
while(it!=v1.end())
{
	cout<<*it;
	it++;
}
//反向迭代
vector<int>::iterator rit = v1.rbegin();
while(rit!=v1.rend())
{
	cout<<*rit;
	rit++;
}

2.3 vector与容量相关的函数

容量空间函数功能
size获取数据个数
capacity获取容量大小
empty判断是否为空
resize改变vector的size
reserve

改变vector的capacity

使用方法和string里的都相同，可以看看string的操作使用。

2.4 vector 增删查改

vector增删查改接口说明
push_back
尾插
pop_back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[]像数组一样访问

这里面有三个函数并不在vector里，而是在算法模块中，即algorithm中。

2.4.1 find、sort和swap

我们这里使用find演示一下

find操作演示

vector<int> vv{ 1,5,3,4,2,6,7,8,9 };
auto pos = find(vv.begin(), vv.end(), 5);
//输出值为5这个位置的下一个位置的值
cout << *(++pos);

auto可以换用vector<int>::iterator。

注意：这个sort其实是用快排实现的。

2.4.2 insert和erase

需要注意的点是，vector的insert函数的pos参数类型不再是一个整型，而是迭代器。

功能是在pos位置前插入数据

vector的erase一次只能删除一个数据或一个区间，不能像string那样使用npos可以全部删除。

3、vector的模拟实现注意事项

3.1 vector迭代器失效问题

C++中迭代器本质上是指针或者对指针的封装，本文所述的vector<T>的迭代器通常是原生指针T。

迭代器失效的原因是当容器底层的内存空间发生改变（如扩容、元素删除等），原有迭代器指向的内存可能被释放或重新分配。此时继续使用这些迭代器，相当于操作野指针，会导致未定义行为（如程序崩溃）。

vector中能导致迭代器失效的操作是什么？

1、扩容操作：push_back、resize、reserve 等可能触发容器扩容的操作，会使所有迭代器失效（包括 begin(), end()）。

vector<int> v{ 1,2,3,4 };
auto it = v.begin();
v.resize(100, 6);
while (it != v.end())
{
    cout << *it << ' ';
    ++it;
}
return 0;
/*这段代码会出错有可能会导致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。*/

如果要解决这个问题，就需要在涉及可能扩容的操作完成后，给it重新赋值，这样就能继续通过迭代器访问vector中的元素。

3.2 erase-指定位置元素的删除操作

#include <iostream>
#include <vector>
using namespace std;
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iterator
    vector<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;
}

4、vector的模拟实现

4.1 vector的成员变量

vector有三个成员变量动态数组的起点、已存储元素的终点、已分配内存的终点。

仿造stl，我们可以写出这样的成员变量

template<class T>
class vector
{
public:

private:
	iterator _start;
	iterator _finish;
	iterator _endof_storage;
};

都使用vector作为成员变量的类型，求size和capacity时可以直接使用迭代器运算，相当于指针相减求出。

4.2 vector容量相关函数

我们先列出vector需要什么容量函数，根据之前的使用，我们主要实现这几个函数：size、capacity、empty、resize、reserve、重载operator[]。

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

size_t capacity() const
{
	return _endofstorage - _start;
}

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

	return _start[pos];
}

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

	return _start[pos];
}

bool empty() const
{
	return (size() == 0);
}

resize和reserve

void reserve(size_t n)
{
	if (n > capacity())
	{
		size_t old = size();
		T* tmp = new T[n];
		if (_start)
		{
			//memcpy(tmp, _start, old * sizeof(T));
            //这里也可以使用上面的memcpy函数
			for (size_t i = 0; i < old; i++)
			{
				tmp[i] = _start[i];
			}
            //
			delete[] _start;
		}

		_start = tmp;
		_finish = _start + old;
		_endofstorage = _start + n;
	}
}

/*参数val=T()使用了匿名对象。C++将内置类型进行过特殊处理int/char等都被升级为了类，
所以可以使用int()表示匿名对象*/
void resize(size_t n, T val = T())
{
	if (n > size())
	{
		reserve(n);
		while (_finish < _start + n)
		{
			*_finish = val;
			++_finish;
		}
	}
	else
	{
		_finish = _start + n;
	}
}

C++将内置类型进行过特殊处理int/char等都被升级为了类，所以可以使用int()表示匿名对象

4.3 构造和析构函数

无参构造

vector()
{}

函数模板

template <class InputIterator>
vector(InputIterator first, InputIterator last)
{
	while (first != last)
	{
		push_back(*first);
		++first;
	}
}

拷贝构造函数

拷贝构造有很多种实现方式

vector(const vector<T>& v)
{
	reserve(v.capacity());
	for (const auto& e : v)
	{
		push_back(e);
	}
}
vector(size_t n, const T& val = T())
{
	resize(n, val);
}

vector(int n, const T& val = T())
{
	resize(n, val);
}

赋值构造

void swap(vector<T>& v)
{
	std::swap(_start, v._start);
	std::swap(_finish, v._finish);
	std::swap(_endofstorage, v._endofstorage);
}

vector<T>& operator=(vector<T> v)
{
	swap(v);
	return *this;
}

析构函数

将空间释放，再将各个指针置为空就行了

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

5、总结

STL把所有接口函数都统一化了，每一种容器的接口函数都相似，所有容器都被迭代器封装，所以这些同名函数实现方式都差不多，这里就不再一一赘述了。

#include<assert.h>
#include<iostream>
#include<algorithm>
using namespace std;
namespace MyVector
{
	template<class T>
	class vector
	{
	public:
		typedef T* iterator;
		typedef const T* const_iterator;
		typedef Reverse_iterator<iterator, T&, T*> reverse_iterator;
		typedef Reverse_iterator< const_iterator, const T&, const T*> reverse_const_iterator;
		//无参构造
		vector()
		{}

		//拷贝构造
		vector(const vector<T>& v)
		{
			reserve(v.capacity());
			for (const auto& e : v)
			{
				push_back(e);
			}
		}

		template <class InputIterator>
		vector(InputIterator first, InputIterator last)
		{
			while (first != last)
			{
				push_back(*first);
				++first;
			}
		}

		vector(size_t n, const T& val = T())
		{
			resize(n, val);
		}

		vector(int n, const T& val = T())
		{
			resize(n, val);
		}

		void swap(vector<T>& v)
		{
			std::swap(_start, v._start);
			std::swap(_finish, v._finish);
			std::swap(_endofstorage, v._endofstorage);
		}

		vector<T>& operator=(vector<T> v)
		{
			swap(v);
			return *this;
		}

		~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;
		}

        //反向迭代器，这里我就不给出来了，大家可以用一个类模板实现
		/*reverse_iterator rbegin()
		{
			return  _finish - 1;
		}

		reverse_iterator rend()
		{
			return _start - 1;
		}

		reverse_const_iterator rbegin()const
		{
			return _finish - 1;
		}

		reverse_const_iterator rend()const
		{
			return _start - 1;
		}*/


		void reserve(size_t n)
		{
			if (n > capacity())
			{
				size_t old = size();
				T* tmp = new T[n];
				if (_start)
				{
					//memcpy(tmp, _start, old * sizeof(T));
					for (size_t i = 0; i < old; i++)
					{
						tmp[i] = _start[i];
					}

					delete[] _start;
				}

				_start = tmp;
				_finish = _start + old;
				_endofstorage = _start + n;
			}
		}

		void resize(size_t n, T val = T())
		{
			if (n > size())
			{
				reserve(n);
				while (_finish < _start + n)
				{
					*_finish = val;
					++_finish;
				}
			}
			else
			{
				_finish = _start + n;
			}
		}

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

			*_finish = x;
			++_finish;
		}

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

		iterator insert(iterator pos, const T& x)
		{
			assert(pos >= _start && pos <= _finish);

			if (_finish == _endofstorage)
			{
				size_t len = pos - _start;
				reserve(capacity() == 0 ? 4 : capacity() * 2);
				pos = _start + len;
			}

			//memmove(pos + 1, pos, sizeof(T) * (_finish - pos));
			iterator end = _finish - 1;
			while (end >= pos)
			{
				*(end + 1) = *end;
				--end;
			}

			*pos = x;

			++_finish;

			return pos;
		}

		iterator erase(iterator pos)
		{
			assert(pos >= _start);
			assert(pos < _finish);

			iterator it = pos + 1;
			while (it < _finish)
			{
				*(it - 1) = *it;
				++it;
			}
			_finish--;

			return pos;
		}

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

		size_t capacity() const
		{
			return _endofstorage - _start;
		}

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

			return _start[pos];
		}

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

			return _start[pos];
		}

		bool empty() const
		{
			return (size() == 0);
		}

	private:
		iterator _start = nullptr;
		iterator _finish = nullptr;
		iterator _endofstorage = nullptr;
	};

	void print_vector(const vector<int>& v)
	{
		for (auto e : v)
		{
			cout << e << " ";
		}
		cout << endl;
	}
}

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