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【C++】vector模拟实现+迭代器失效

news 来源：原创 2024/5/20 14:52:53

vector模拟实现

  • 成员变量定义
  • 默认成员函数
    • 构造函数
  • 迭代器
    • 范围for、对象类型匹配原则
  • 容量操作
    • size
    • empty
    • capacity
    • reserve
      • 成员变量未更新
      • memcpy值拷贝
    • resize
      • 内置类型的构造函数
  • 数据访问
    • front
    • back
    • operator[ ]
  • 数据修改操作
    • push_back
    • pop_back
    • swap
    • clear
    • insert
      • pos位置未更新
      • 无返回值
    • erase
      • 无返回值
  • 迭代器失效
    • 定义
    • insert导致的迭代器失效
    • erase导致的迭代器失效
      • 删除vector中的奇数
  • 非法的间接寻址

铁汁们，今天给大家分享一篇vector模拟实现 + 迭代器失效，来吧，开造⛳️

成员变量定义

  • 指向最后一个空间的下一个位置

💡 iterator _endofstorage

  • 指向存储第一个有效数据空间的位置

💡 iterator _start

  • 指向存储最后一个有效数据空间的下一个位置

💡 iterator _finish

在这里插入图片描述

  • 在成员变量声明处给缺省值，实质上是将缺省值给了初始化列表。
  • 在创建一个新的对象时，都需要先走初始化列表完成初始化，在走构造函数。
#define _CRT_SECURE_NO_WARNINGS 1
#include<iostream>
#include<string>
#include<assert.h>using namespace std;template<class T>
class vector {
private:iterator _start = nullptr; //起始位置iterator _finish = nullptr;  //有效数据的结束位置iterator _endofstorage = nullptr;  //容量的结束位置
};

默认成员函数

构造函数

💡vector( ) { } ;

  • 功能：构造无参的对象
vector() {};  //无参构造

💡vector(size_t n, const T& val = T( ) ) ;

  • 功能：构造含n个val值的对象
vector(size_t n, const T& val = T()) //用n个val值构造
{resize(n, val);
}

💡vector( InputIterator first, InputIterator last ) ;

  • 功能：构造与[first, last)范围一样多元素的对象
template<class InputIterator>  //  注意： 模板内可以在嵌套模板
vector(InputIterator first, InputIterator last)    //用迭代区间进行构造
{     //泛型编程，函数模板，不是只适用于某个容器的的迭代器，适用于所有容器的的迭代器while (first != last){push_back(*first);first++;}
}

💡Tips：模板内可以嵌套其他模板。

迭代器

template<class T>
class vector {
public:typedef T* iterator;typedef const T* const_iterator;
}

💡 Tips：指向连续物理空间的指针是天然的迭代器。

💡iterator begin( ) ;

  • 功能：返回指向第一个元素的位置。
iterator begin() //迭代器所指向的空间内的值 “既可读又可写”
{   //只适用于const对象（权限可以平移）、不适用于非const对象（权限不可以放大）return _start;  //vector第一个元素所在的位置（指针）
}

💡Tips : const_iterator 修饰的是迭代器所指向的元素不能被修改，而迭代器本身可以被修改。const修饰this指针，表示在该成员函数中成员变量不允许被修改，此处const的用法只能用于类中的成员函数。

💡iterator end( ) ;

  • 功能：返回指向最后一个元素的下一个位置。
iterator end()
{return _finish; //vector最后一个元素后面所在的位置（指针）
}

💡const_iterator begin( )const ;

const_iterator begin()const //迭代器所指向的空间内的值 “只可不可写”
{return _start;  //既适用于const对象（权限可以平移）、又适用于非const对象（权限可以缩小）
}

💡const_iterator end( )const ;

const_iterator end()const
{return _finish;
}

范围for、对象类型匹配原则

const vector<int> v(5, 2);
for (auto& e : v)
{cout << e << ' ';
}
cout << endl;

  • 只要容器支持迭代器，就支持用范围for来访问, 原因：范围for的底层实现为迭代器。

  • 用范围for访问对象中的元素，对象类型不同，范围for底层调用的迭代器接口不同。
    在这里插入图片描述

容量操作

size

💡size_t size( )const ;

  • 功能：计算元素的总个数
size_t size()const //有效元素总个数
{return _finish - _start;
}

empty

💡bool empty( )const ;

  • 功能：判断vector是否为空，为空，则返回true,不为空，则返回false。
bool empty()const //判断是否为空， 为空，则返回true,不为空，则返回false
{return size() == 0;
}
vector<string> v1;
v1.push_back("zhangsan");
cout << v1.empty() << endl;
vector<int> v2;
cout << v2.empty() << endl;

capacity

💡size_t capacity( )const ;

  • 功能：获得当前分配给vector存储空间的大小。
size_t capacity()const  //容量的大小
{return _endofstorage - _start;
}

reserve

💡void reserve(size_t n) ;

  • 功能：使得vector容器存储空间的大小为n。
void reserve(size_t n) //开空间（扩容）
{if (n > capacity()) //此处在判断:1.自己直接调用reserve,2.其他接口间接调用reserve{T* tmp = new T[n];  //扩容  new:开空间+构造函数，完成初始化size_t old = size();  // 注意 ：因为new[]会开辟新的空间if (_start)  //拷贝旧空间中的值{for (int i = 0; i < old; i++) //vector底层物理空间连续tmp[i] = _start[i] ; //  若为string,则调用string的赋值重载函数(深拷贝）delete[] _start; //delete:析构函数+释放空间}//更新成员变量_start = tmp;  _finish = _start + old; //_endofstorage = _start + n;  //}
}

在这里插入图片描述

成员变量未更新

void reserve(size_t n) //开空间（扩容）
{if (n > capacity()) //此处在判断:1.自己直接调用reserve,2.其他接口间接调用reserve{T* tmp = new T[n];  //扩容  new:开空间+构造函数，完成初始化if (_start)  //拷贝旧空间中的值{memcpy(tmp, _start, sizeof(T) * size()); delete[] _start; //delete:析构函数+释放空间}//更新成员变量_start = tmp;  _finish = _start + size(); _endofstorage = _start + capacity();}
}

在这里插入图片描述

在这里插入图片描述

memcpy值拷贝

void reserve(size_t n) //开空间（扩容）
{if (n > capacity()) //此处在判断:1.自己直接调用reserve,2.其他接口间接调用reserve{T* tmp = new T[n];  //扩容  new:开空间+构造函数，完成初始化size_t old = size();  // 注意 ：因为new[]会开辟新的空间if (_start)  //拷贝旧空间中的值{memcpy(tmp, _start, sizeof(T) * old); delete[] _start; //delete:析构函数+释放空间}//更新成员变量_start = tmp;  _finish = _start + old; //_endofstorage = _start + n;  //}
}

在这里插入图片描述在这里插入图片描述

resize

💡void resize(size_t n, const typename& val = typename( ) ) ;

  • 功能：调整vector容器的大小，使其内元素个数变为n。
void resize(size_t n, const T& val = T()) //开空间+初始化
{if (n > size()) //插入数据 -》 n > capacity:扩容+插入 size < n <capacity:插入{reserve(n); // n > capacityfor(int i = size(); i < n; i++)  //从size位置处向后插入push_back(val);  }else  //n < size:尾删{_finish = _start + n;}
}

vector<int> v2;
v2.push_back(2);
v2.push_back(2);
v2.push_back(2);
v2.push_back(2);
v2.push_back(2);
for (auto& e : v2)
{cout << e << ' ';
}
cout << endl;v2.resize(7, 1);
for (auto& e : v2)
{cout << e << ' ';
}
cout << endl;v2.resize(12);
for (auto& e : v2)
{cout << e << ' ';
}
cout << endl;v2.resize(3);
for (auto& e : v2)
{cout << e << ' ';
}
cout << endl;

在这里插入图片描述

内置类型的构造函数

int a = int();
cout << a << endl;
int b = int(5);
cout << b << endl;

在这里插入图片描述
💡Tips ：初始化处默认给缺省值，缺省值为无参构造函数，自定义类型会去调它自己的默认构造函数，c++11为了兼容模板，使得内置类型也有构造函数，内置类型得无参构造函数初始化为0,eg:int val = int(), val = 0、double val = double(),val = 0.0,int* val = int*() , val = nullptr、char val = char(), val = ‘\0’。

数据访问

front

💡T& front( ) ;

  • 功能：获取第一个有效元素
T& front()  //获取第一个有效元素
{assert(size() > 0); //断言，确保是否有数据return *_start;
}

back

💡T& back( ) ;

  • 功能：获取最后一个有效元素
T& back() //获取最后一个有效元素
{assert(size() > 0); //断言，确保是否有数据return *(_finish - 1);
}

vector<int> v4;
v4.push_back(1);
v4.push_back(2);
v4.push_back(3);
cout << v4.front() << endl;
cout << v4.back() << endl;

在这里插入图片描述

operator[ ]

💡T& operator[](size_t n) ;

  • 功能：访问下标为n处的值，返回值既可读又可写(非const对象)。
T& operator[](size_t n) //既可读又可写
{return _start[n];
}

💡const T& operator[](size_t n)const ;

  • 功能：访问下标为n处的值，返回值只可读不可写(const对象)。
const T& operator[](size_t n)const //只可读不可写
{return _start[n];
}
vector<int> v2(5, 2);
v2[2] = 3; 
cout << v2[2] << endl;const vector<int> v3(5, 4); 
cout << v3[3] << endl;

在这里插入图片描述

数据修改操作

push_back

💡void push_back(const T& val) ;

  • 功能：在末尾插入一个元素。
void push_back(const T& val) //在末尾插入一个数据
{if (_finish == _endofstorage) //空间满了，扩容{size_t newcapacity = capacity() == 0 ? 4 : 2 * capacity();reserve(newcapacity);}*_finish = val; //插入数据_finish++; 
}

pop_back

💡void pop_back( ) ；

  • 功能：删除最后一个元素。
void pop_back() //删除最后一个元素
{assert(size() > 0); //断言，无任何数据，不能在进行删除操作_finish--;
}

vector<int> v4;
v4.push_back(1);
v4.push_back(2);
v4.push_back(3);
for (auto& e : v4)
{cout << e << ' ';
}
cout << endl;v4.pop_back();
for (auto& e : v4)
{cout << e << ' ';
}
cout << endl;

在这里插入图片描述

swap

💡void swap(vector& v) ;

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

vector<int> v2(5, 2);
vector<int> v4;
v4.push_back(1);
v4.push_back(2);
v4.push_back(3);
v4.pop_back();
for (auto& e : v2)
{cout << e << ' ';
}
cout << endl;
for (auto& e : v4)
{cout << e << ' ';
}
cout << endl;v2.swap(v4);for (auto& e : v2)
{cout << e << ' ';
}
cout << endl;
for (auto& e : v4)
{cout << e << ' ';
}
cout << endl;

在这里插入图片描述

clear

💡void clear( ) ;

  • 功能：使vector中元素的总个数size变为0，但容量capacity不变。
void clear() //清空  size改变，capacity不变
{_finish = _start;
}

insert

💡void insert ( iterator position , const typename& x) ；

  • 功能：在指定的位置(迭代器）前插入元素x。
iterator insert(iterator pos, const T& val) //在pos位置前插入元素
{assert(pos >= _start && pos <= _finish); //断言，确保在[_start,_finish]范围内插入数据if (_finish == _endofstorage) //空间满了，扩容{size_t len = pos - _start;size_t newcapacity = capacity() == 0 ? 4 : 2 * capacity();reserve(newcapacity);pos = _start + len; //扩容会导致pos位置失效，更新pos位置}//此处数据往后挪动，既可以用memmove，又可以用迭代器//memmove(pos + 1, pos, sizeof(T) *( _finish - pos));  //memmove为值拷贝iterator tmp = _finish - 1;while (tmp >= pos) {*(tmp + 1) = *tmp;tmp--;}*pos = val;   //插入数据_finish++;return pos;  //返回值为了，发生扩容,pos位置更新后的值仍能被继续使用
}

pos位置未更新

void insert(iterator pos, const T& val) //在pos位置前插入元素
{assert(pos >= _start && pos <= _finish); //断言，确保在[_start,_finish]范围内插入数据if (_finish == _endofstorage) //空间满了，扩容{size_t newcapacity = capacity() == 0 ? 4 : 2 * capacity();reserve(newcapacity);}//此处数据往后挪动，既可以用memmove，又可以用迭代器//memmove(pos + 1, pos, sizeof(T) *( _finish - pos));  //memmove为值拷贝iterator tmp = _finish - 1;while (tmp >= pos) {*(tmp + 1) = *tmp;tmp--;}*pos = val;   //插入数据_finish++;
}

vector<string> v1;
v1.push_back("zhangsan");
v1.push_back("lisi");
v1.push_back("wangwu");
v1.push_back("zhaoqan");v1.insert(v1.begin(), "lala");for (auto& e : v1)
{cout << e << ' ';
}

在这里插入图片描述
在这里插入图片描述

  • 因扩容使原空间被释放，导致pos指向已经被释放的空间（pos为野指针）。若想继续插入新的数据，需要更新pos，使pos指向新空间。

无返回值

void insert(iterator pos, const T& val) //在pos位置前插入元素
{assert(pos >= _start && pos <= _finish); //断言，确保在[_start,_finish]范围内插入数据if (_finish == _endofstorage) //空间满了，扩容{size_t len = pos - _start;size_t newcapacity = capacity() == 0 ? 4 : 2 * capacity();reserve(newcapacity);pos = _start + len; //扩容会导致pos位置失效，更新pos位置}//此处数据往后挪动，既可以用memmove，又可以用迭代器//memmove(pos + 1, pos, sizeof(T) *( _finish - pos));  //memmove为值拷贝iterator tmp = _finish - 1;while (tmp >= pos) {*(tmp + 1) = *tmp;tmp--;}*pos = val;   //插入数据_finish++;
}

vector<string> v1;
v1.push_back("zhangsan");
v1.push_back("lisi");
v1.push_back("wangwu");
v1.push_back("zhaoqan");vector<string>::iterator pos = std::find(v1.begin(), v1.end(), "zhangsan");
v1.insert(pos, "zzx");
v1.insert(pos, "lala"); //出错处for (auto& e : v1)
{cout << e << ' ';
}

在这里插入图片描述
在这里插入图片描述

  • 因函数为传值调用，形参只是实参的一份临时拷贝，形参的改变不会影响实参。
  • 在容量满了情况下，若两次insert(pos,数据)，第一次insert会进行扩容，扩容导致原空间被释放 。第二次insert，尽管在函数体内更新了pos,传值调用，pos仍指向已经被释放的空间，引起运行时代码崩溃。若仍想使用pos迭代器，只需给pos重新赋值，即：使用返回值。

erase

iterator erase(iterator pos)
{assert(pos >= _start && pos < _finish); //断言，确保在[_start,_finish)范围内删除数据assert(size() > 0); //断言，无任何数据，不能在进行删除操作//此处数据往前覆盖pos位置，既可以用memmove，又可以用迭代器//memmove(pos, pos + 1, sizeof(T) * (_finish - pos - 1)); memmove为值拷贝iterator tmp = pos;while (tmp < _finish - 1){*tmp = *(tmp + 1);tmp++;}_finish--;return pos;
}

无返回值

void erase(iterator pos)
{assert(pos >= _start && pos < _finish); //断言，确保在[_start,_finish)范围内删除数据assert(size() > 0); //断言，无任何数据，不能在进行删除操作memmove(pos, pos + 1, sizeof(T) * (_finish - pos - 1));_finish--;
}

vector<int> v;
v.push_back(1);
v.push_back(2);
v.push_back(3);
v.push_back(4);
v.push_back(5);//删除v中的奇数
auto it = v.begin();
while (it != v.end())
{if (*it % 2 != 0)v.erase(it);it++;
}for (auto& e : v)
{cout << e << ' ';
}
cout << endl;

在这里插入图片描述
在这里插入图片描述

  • 因为erase功能为删除pos位置处的数据，用pos+1位置向前覆盖pos位置的数据,
    vectorv{1,2,3},it=v.begin(),erase(it)后,it中数据为2,在直接it++,此时it中数据为3，erase(it)后，it=v.end(),而end位置是没有元素的，那么pos就失效了。在it++, 就越界了assert条件为假，导致程序崩溃。此时只需要给it重新赋值，即：添加返回值。
vector<int> v;
v.push_back(1);
v.push_back(2);
v.push_back(3);
v.push_back(4);
v.push_back(5);//删除v中的奇数
auto it = v.begin();
while (it != v.end())
{if (*it % 2 != 0)it = v.erase(it);elseit++;
}for (auto& e : v)
{cout << e << ' ';
}
cout << endl;

在这里插入图片描述
在这里插入图片描述

迭代器失效

定义

  • 在c++中，容器的insert、erase等操作可能会引起迭代器失效，如果在迭代器已经失效的情况下，继续使用失效的迭代器来访问容器内的数据，会引起运行时程序崩溃或者产生不可预期的结果，这种情况就称为迭代器失效。

insert导致的迭代器失效

vector<string> v1;
v1.push_back("zhangsan");
v1.push_back("lisi");
v1.push_back("wangwu");
v1.push_back("zhaoqan");v1.insert(v1.begin(), "lala");for (auto& e : v1)
{cout << e << ' ';
}

在这里插入图片描述
在这里插入图片描述

  • 空间满了，在插入数据，会进行扩容，扩容reserve会引起底层空间的改变，开辟新空间，原空间被释放，导致pos指向已经被释放的空间（pos为野指针），此时只需要更新pos，使pos指向新空间。
  • 💡Tips: 迭代器失效——》扩容会引起底层空间的改变，导致原来空间被释放，迭代器指向已经被释放的空间，迭代器也野指针。

erase导致的迭代器失效

删除vector中的奇数

void erase(iterator pos)
{assert(pos >= _start && pos < _finish); //断言，确保在[_start,_finish)范围内删除数据assert(size() > 0); //断言，无任何数据，不能在进行删除操作memmove(pos, pos + 1, sizeof(T) * (_finish - pos - 1));_finish--;
}

vector<int> v;
v.push_back(1);
v.push_back(2);
v.push_back(3);
v.push_back(4);
v.push_back(5);//删除v中的奇数
auto it = v.begin();
while (it != v.end())
{if (*it % 2 != 0)v.erase(it);it++;
}for (auto& e : v)
{cout << e << ' ';
}
cout << endl;

  • erase删除pos位置元素后，pos位置之后的元素会往前挪动，无底层空间的变化，但是如果pos刚好为最后一个元素，删完之后pos刚好为end位置，而end位置上无元素，那么pos也就失效了，此时只需要给it重新赋值，即：添加返回值。

  • 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。

  • 💡Tips: 迭代器失效——》不会引起底层空间发生变化，迭代器指向了错误的位置。

vector<int> v;
v.push_back(1);
v.push_back(2);
v.push_back(3);
v.push_back(4);
v.push_back(5);//删除v中的奇数
auto it = v.begin();
while (it != v.end())
{if (*it % 2 != 0)it = v.erase(it);elseit++;
}for (auto& e : v)
{cout << e << ' ';
}
cout << endl;

在这里插入图片描述
在这里插入图片描述
💡 Tips：在erase的实现中，不能保证编译器是否会进行缩容，但是缩容会导致迭代器失效。insert和erase的pos可能都会失效，所以对于insert和erase使用过的迭代器不要去使用。

非法的间接寻址

vector<string> v1(5, "zzx");for (auto& e : v1)
{cout << e << ' ';
}
cout << endl;vector<int> v2(5, 2);for (auto& e : v2)
{cout << e << ' ';
}
cout << endl;

在这里插入图片描述
铁铁们，vector模拟实现+迭代器失效就到此结束啦，若博主有不好的地方，请指正，欢迎铁铁们留言，请动动你们的手给作者点个👍鼓励吧，你们的鼓励就是我的动力✨

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