【C++篇】从零实现 C++ Vector：深度剖析 STL 的核心机制与优化

2024-10-09 20:04:21 浏览数 (1)

从零实现 C Vector

前言

接上篇【C 篇】解密 STL 动态之魂：全面掌握 C vector 的高效与优雅 在现代 C 编程中，容器类 vector 是不可或缺的数据结构。作为一个动态数组，它提供了高效的随机访问和动态内存管理。为了加深对 vector 的理解，本文将从零开始模拟实现一个 vector，详细解析其核心机制。我们不仅会展示基础的构造、拷贝、扩展和元素插入操作，还将采用现代 C 的最佳实践来优化代码，尤其是在异常安全和性能上。

通过从浅入深的分步骤实现与测试，希望让读者能够全面掌握 vector 的核心逻辑与细节。本教程不仅适合初学者，也适合想深入理解 C STL 背后实现的开发者。

1. 基本结构与初始化细分

1.1 空构造函数的实现与测试
  • 实现一个空的vector，不分配任何内存。
  • 测试是否创建了容量为0的vector。
实现代码：
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namespace W {
    template<class T>
    class vector {
    public:
        typedef T* iterator;

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

        size_t size() const { return _finish - _start; }
        size_t capacity() const { return _endOfStorage - _start; }
        bool empty() const { return _start == _finish; }

    private:
        iterator _start;
        iterator _finish;
        iterator _endOfStorage;
    };
}
测试用例：
代码语言：javascript复制
void TestEmptyVector() {
    W::vector<int> v;
    assert(v.size() == 0);  // 验证大小
    assert(v.capacity() == 0);  // 验证容量
    assert(v.empty());  // 验证是否为空
    std::cout << "TestEmptyVector passed" << std::endl;
}
输出：
代码语言：javascript复制
TestEmptyVector passed
1.2 带大小和默认值的构造函数
  • 初始化一个给定大小的vector，并使用默认值填充。
  • 测试构造后大小、容量是否符合要求。
实现代码：
代码语言：javascript复制
namespace W {
    template<class T>
    class vector {
    public:
        typedef T* iterator;

        vector(size_t n, const T& value = T()) {
            _start = new T[n];
            _finish = _start   n;
            _endOfStorage = _finish;
            for (size_t i = 0; i < n;   i) {
                _start[i] = value;  // 填充默认值
            }
        }

        size_t size() const { return _finish - _start; }
        size_t capacity() const { return _endOfStorage - _start; }
        bool empty() const { return _start == _finish; }

        T& operator[](size_t pos) { return _start[pos]; }

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

    private:
        iterator _start;
        iterator _finish;
        iterator _endOfStorage;
    };
}
测试用例：
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void TestInitVector() {
    W::vector<int> v(5, 10);
    assert(v.size() == 5);  // 验证大小
    assert(v.capacity() == 5);  // 验证容量
    assert(!v.empty());  // 验证非空
    for (size_t i = 0; i < 5;   i) {
        assert(v[i] == 10);  // 验证默认值
    }
    std::cout << "TestInitVector passed" << std::endl;
}
输出：
代码语言：javascript复制
TestInitVector passed
1.3 拷贝构造函数
  • 实现vector的拷贝构造函数。
  • 测试拷贝后的vector是否完全复制原来的内容和容量。
实现代码：
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namespace W {
    template<class T>
    class vector {
    public:
        typedef T* iterator;

        vector(const vector<T>& v) {
            size_t n = v.size();
            _start = new T[n];
            _finish = _start   n;
            _endOfStorage = _finish;
            for (size_t i = 0; i < n;   i) {
                _start[i] = v._start[i];  // 复制数据
            }
        }

        size_t size() const { return _finish - _start; }
        size_t capacity() const { return _endOfStorage - _start; }
        bool empty() const { return _start == _finish; }

        T& operator[](size_t pos) { return _start[pos]; }

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

    private:
        iterator _start;
        iterator _finish;
        iterator _endOfStorage;
    };
}
测试用例：
代码语言：javascript复制
void TestCopyVector() {
    W::vector<int> v1(5, 10);
    W::vector<int> v2(v1);
    assert(v2.size() == 5);  // 验证大小
    assert(v2.capacity() == 5);  // 验证容量
    for (size_t i = 0; i < 5;   i) {
        assert(v2[i] == 10);  // 验证数据拷贝
    }
    std::cout << "TestCopyVector passed" << std::endl;
}
输出：
代码语言：javascript复制
TestCopyVector passed
1.4 赋值操作符的实现
  • 实现赋值操作符重载。
  • 测试两个vector赋值后，是否正确拷贝了内容和容量。
实现代码：
代码语言：javascript复制
namespace W {
    template<class T>
    class vector {
    public:
        typedef T* iterator;

        vector<T>& operator=(const vector<T>& v) {
            if (this != &v) {
                delete[] _start;  // 释放旧的空间
                size_t n = v.size();
                _start = new T[n];
                _finish = _start   n;
                _endOfStorage = _finish;
                for (size_t i = 0; i < n;   i) {
                    _start[i] = v._start[i];  // 复制数据
                }
            }
            return *this;
        }

        size_t size() const { return _finish - _start; }
        size_t capacity() const { return _endOfStorage - _start; }
        bool empty() const { return _start == _finish; }

        T& operator[](size_t pos) { return _start[pos]; }

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

    private:
        iterator _start;
        iterator _finish;
        iterator _endOfStorage;
    };
}
测试用例：
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void TestAssignVector() {
    W::vector<int> v1(5, 10);
    W::vector<int> v2 = v1;  // 赋值操作
    assert(v2.size() == 5);  // 验证大小
    assert(v2.capacity() == 5);  // 验证容量
    for (size_t i = 0; i < 5;   i) {
        assert(v2[i] == 10);  // 验证数据拷贝
    }
    std::cout << "TestAssignVector passed" << std::endl;
}
输出：
代码语言：javascript复制
TestAssignVector passed

2. 容量管理的实现与测试

2.1 reserve函数：动态扩容
  • 实现reserve函数，测试在容量不足时是否能正确扩展。
实现代码：
代码语言：javascript复制
namespace W {
    template<class T>
    class vector {
    public:
        void reserve(size_t n) {
            if (n > capacity()) {
                size_t oldSize = size();
                T* tmp = new T[n];
                for (size_t i = 0; i < oldSize;   i) {
                    tmp[i] = _start[i];
                }
                delete[] _start;
                _start = tmp;
                _finish = _start   oldSize;
                _endOfStorage = _start   n;
            }
        }
    };
}
测试用例：
代码语言：javascript复制
void TestReserveVector() {
    W::vector<int> v(5, 10);
    v.reserve(10);  // 预留容量
    assert(v.capacity() == 10);  // 验证容量扩展
    for (size_t i = 0; i < 5;   i) {
        assert(v[i] == 10);  // 验证数据保持不变
    }
    std::cout << "TestReserveVector passed" << std::endl;
}
输出：
代码语言：javascript复制
TestReserveVector passed
2.2 resize函数：改变大小
  • 实现resize函数，测试增加或减少vector大小。
实现代码：
代码语言：javascript复制
namespace W {
    template<class T>
    class vector {
    public:
        void resize(size_t n, const T& value = T()) {
            if (n < size()) {
                _finish = _start   n;  // 缩小大小
            } else {
                reserve(n);
                for (iterator it = _finish; it != _start   n;   it)
			    {
                    *it = value;  // 填充新值
                }
                _finish = _start   n;
            }
        }
    };
}
测试用例：
代码语言：javascript复制
void TestResizeVector() {
    W::vector<int> v(5, 10);
    v.resize(8, 20);  // 扩展大小并填充新值
    assert(v.size() == 8);  // 验证扩展后大小
    for (size_t i = 0; i < 5;   i) {
        assert(v[i] == 10);  // 验证原值不变
    }
    for (size_t i = 5; i < 8;   i) {
        assert(v[i] == 20);  // 验证新值
    }
    std::cout << "TestResizeVector passed" << std::endl;
}
输出：
代码语言：javascript复制
TestResizeVector passed

3. 元素插入与删除

3.1 push_back函数：向vector末尾插入元素
3.1.1 需求分析
  • push_back是vector中最常用的操作之一。需要确保：
    • 当空间不足时，进行自动扩容。
    • 插入的元素位于现有元素的末尾。
实现思路
  1. 检查容量是否足够，若不足则扩容（通常容量加倍）。
  2. 将新元素插入到当前末尾。
  3. 更新_finish指针，指向新的末尾。
实现代码：
代码语言：javascript复制
namespace W {
    template<class T>
    class vector {
    public:
        void push_back(const T& x) {
            // 如果空间不足，扩展容量为当前容量的两倍
            if (_finish == _endOfStorage) {
                size_t newCapacity = capacity() == 0 ? 1 : capacity() * 2;
                reserve(newCapacity);
            }

            // 在末尾插入新元素
            *_finish = x;
              _finish;
        }

    private:
        T* _start;
        T* _finish;
        T* _endOfStorage;
    };
}
测试用例：
代码语言：javascript复制
void TestPushBackVector() {
    W::vector<int> v;
    v.push_back(1);
    v.push_back(2);
    v.push_back(3);

    assert(v.size() == 3);  // 验证插入后的大小
    assert(v.capacity() >= 3);  // 验证容量是否自动扩展
    assert(v[0] == 1 && v[1] == 2 && v[2] == 3);  // 验证插入的元素是否正确

    std::cout << "TestPushBackVector passed" << std::endl;
}
输出：
代码语言：javascript复制
TestPushBackVector passed
3.2 pop_back函数：删除末尾元素
3.2.1 需求分析
  • pop_back用于删除vector中的最后一个元素。需要确保：
    • 删除后更新_finish指针。
    • 元素已经从逻辑上被移除，但空间不回收。
实现思路
  1. 将_finish指针向前移动一位，即删除最后一个元素。
  2. 不释放空间。
实现代码：
代码语言：javascript复制
namespace W {
    template<class T>
    class vector {
    public:
        void pop_back() {
            assert(_finish != _start);  // 确保vector非空
            --_finish;  // 逻辑删除最后一个元素
        }

    private:
        T* _start;
        T* _finish;
        T* _endOfStorage;
    };
}
测试用例：
代码语言：javascript复制
void TestPopBackVector() {
    W::vector<int> v;
    v.push_back(1);
    v.push_back(2);
    v.push_back(3);
    v.pop_back();

    assert(v.size() == 2);  // 验证删除后的大小
    assert(v[0] == 1 && v[1] == 2);  // 验证剩余元素是否正确

    std::cout << "TestPopBackVector passed" << std::endl;
}
输出：
代码语言：javascript复制
TestPopBackVector passed
3.3 insert函数：在指定位置插入元素
3.3.1 需求分析
  • insert用于在vector的任意位置插入元素。需要确保：
    • 插入位置之后的元素向后移动。
    • 插入前检查容量是否足够，必要时扩容。
实现思路
  1. 检查容量是否足够，不足时扩容。
  2. 将插入位置及其后的元素整体向后移动。
  3. 将新元素插入指定位置。
  4. 更新_finish指针。
实现代码：
代码语言：javascript复制
namespace W {
    template<class T>
    class vector {
    public:
        T* insert(T* pos, const T& value) {
            assert(pos >= _start && pos <= _finish);  // 确保pos是有效指针

            // 检查空间是否足够
            if (_finish == _endOfStorage) {
                size_t newCapacity = capacity() == 0 ? 1 : capacity() * 2;
                size_t offset = pos - _start;  // 记录插入位置
                reserve(newCapacity);  // 扩容
                pos = _start   offset;  // 更新插入位置
            }

            // 将插入位置之后的元素整体向后移动
            for (T* it = _finish; it > pos; --it) {
                *it = *(it - 1);
            }

            // 插入新元素
            *pos = value;
              _finish;
            return pos;
        }

    private:
        T* _start;
        T* _finish;
        T* _endOfStorage;
    };
}
测试用例：
代码语言：javascript复制
void TestInsertVector() {
    W::vector<int> v;
    v.push_back(1);
    v.push_back(2);
    v.push_back(4);

    v.insert(v.begin()   2, 3);  // 在第2个位置插入3

    assert(v.size() == 4);  // 验证插入后的大小
    assert(v[0] == 1 && v[1] == 2 && v[2] == 3 && v[3] == 4);  // 验证插入的元素是否正确

    std::cout << "TestInsertVector passed" << std::endl;
}
输出：
代码语言：javascript复制
TestInsertVector passed
3.4 erase函数：删除指定位置的元素
3.4.1 需求分析
  • erase用于删除vector中的某个位置的元素。需要确保：
    • 删除后，删除位置之后的元素向前移动。
    • 删除后更新_finish指针。
实现思路
  1. 将erase位置之后的元素向前移动一位。
  2. 更新_finish指针。
实现代码：
代码语言：javascript复制
namespace W {
    template<class T>
    class vector {
    public:
        T* erase(T* pos) {
            assert(pos >= _start && pos < _finish);  // 确保pos是有效指针

            // 将pos之后的元素向前移动
            for (T* it = pos; it < _finish - 1;   it) {
                *it = *(it   1);
            }

            --_finish;  // 更新_finish指针
            return pos;
        }

    private:
        T* _start;
        T* _finish;
        T* _endOfStorage;
    };
}
测试用例：
代码语言：javascript复制
void TestEraseVector() {
    W::vector<int> v;
    v.push_back(1);
    v.push_back(2);
    v.push_back(3);
    v.push_back(4);

    v.erase(v.begin()   2);  // 删除第2个元素

    assert(v.size() == 3);  // 验证删除后的大小
    assert(v[0] == 1 && v[1] == 2 && v[2] == 4);  // 验证删除后的元素顺序

    std::cout << "TestEraseVector passed" << std::endl;
}
输出：
代码语言：javascript复制
TestEraseVector passed

4. front和back函数

4.1 front函数：获取第一个元素
4.1.1 需求分析
  • front函数返回vector的第一个元素。需要确保：
    • 当vector非空时，返回正确的第一个元素。
实现代码：
代码语言：javascript复制
namespace W {
    template<class T>
    class vector {
    public:
        T& front() {
            assert(!empty());  // 确保vector非空
            return *_start;  // 返回第一个元素
        }

    private:
        T* _start;
        T* _finish;
        T* _endOfStorage;
    };
}
测试用例：
代码语言：javascript复制
void TestFrontVector() {
    W::vector<int> v;
    v.push_back(10);
    assert(v.front() == 10);  // 验证front

    v.push_back(20);
    assert(v.front() == 10);  // 验证front不变

    std::cout << "TestFrontVector passed" << std::endl;


}
输出：
代码语言：javascript复制
TestFrontVector passed
4.2 back函数：获取最后一个元素
4.2.1 需求分析
  • back函数返回vector的最后一个元素。需要确保：
    • 当vector非空时，返回正确的最后一个元素。
实现代码：
代码语言：javascript复制
namespace W {
    template<class T>
    class vector {
    public:
        T& back() {
            assert(!empty());  // 确保vector非空
            return *(_finish - 1);  // 返回最后一个元素
        }

    private:
        T* _start;
        T* _finish;
        T* _endOfStorage;
    };
}
测试用例：
代码语言：javascript复制
void TestBackVector() {
    W::vector<int> v;
    v.push_back(10);
    assert(v.back() == 10);  // 验证back

    v.push_back(20);
    assert(v.back() == 20);  // 验证back变化

    std::cout << "TestBackVector passed" << std::endl;
}
输出：
代码语言：javascript复制
TestBackVector passed
5.1 begin 与 end 函数：迭代器的基本操作
5.1.1 需求分析
  • begin 函数返回指向 vector 起始位置的迭代器（即指向第一个元素）。
  • end 函数返回指向 vector 末尾的迭代器（即指向最后一个元素的下一个位置）。
  • 两者结合可以用于遍历 vector 中的元素。
实现代码：
代码语言：javascript复制
namespace W {
    template<class T>
    class vector {
    public:
        typedef T* iterator;  // 使用原生指针作为迭代器

        iterator begin() {
            return _start;
        }

        iterator end() {
            return _finish;
        }

    private:
        T* _start;
        T* _finish;
        T* _endOfStorage;
    };
}
测试用例：
代码语言：javascript复制
void TestIteratorVector() {
    W::vector<int> v;
    v.push_back(10);
    v.push_back(20);
    v.push_back(30);

    // 使用迭代器遍历 vector
    for (W::vector<int>::iterator it = v.begin(); it != v.end();   it) {
        std::cout << *it << " ";
    }
    std::cout << std::endl;

    std::cout << "TestIteratorVector passed" << std::endl;
}
输出：
代码语言：javascript复制
10 20 30 
TestIteratorVector passed
5.2 swap 函数：交换两个 vector
5.2.1 需求分析
  • swap 函数用于交换两个 vector 的内容，包括它们的起始指针、结束指针和容量指针。
  • swap 函数是常用的优化操作，特别是在实现移动语义时能大大提高效率。
实现代码：
代码语言：javascript复制
namespace W {
    template<class T>
    class vector {
    public:
        void swap(vector<T>& v) {
            std::swap(_start, v._start);
            std::swap(_finish, v._finish);
            std::swap(_endOfStorage, v._endOfStorage);
        }

    private:
        T* _start;
        T* _finish;
        T* _endOfStorage;
    };
}
测试用例：
代码语言：javascript复制
void TestSwapVector() {
    W::vector<int> v1;
    W::vector<int> v2;

    v1.push_back(1);
    v1.push_back(2);
    v2.push_back(3);
    v2.push_back(4);
    
    v1.swap(v2);

    // 验证 v1 和 v2 交换后内容是否正确
    for (auto e : v1) {
        std::cout << e << " ";
    }
    std::cout << std::endl;

    for (auto e : v2) {
        std::cout << e << " ";
    }
    std::cout << std::endl;

    std::cout << "TestSwapVector passed" << std::endl;
}
输出：
代码语言：javascript复制
3 4 
1 2 
TestSwapVector passed
5.3 赋值运算符重载：深拷贝 vector（现代写法）
5.3.1 需求分析
  • 拷贝构造函数的任务是创建一个全新的 vector，并确保与原 vector 独立，使用深拷贝拷贝元素。赋值运算符重载代码大致也是相同的，那有没有办法简化呢？
  • 为了使用现代 C 的最佳实践，我们可以采用 拷贝并交换（Copy and Swap） 技术，这种技术可以减少重复代码并提高异常安全性。
  • 使用 传值（pass-by-value）参数，配合 swap 函数，使代码简洁高效，且异常安全。
实现代码：
代码语言：javascript复制
namespace W {
    template<class T>
    class vector {
    public:
        //这里可以服用reserve和push_back函数了
        vector(const vector<T>& v)
            : _start(nullptr), _finish(nullptr), _endOfStorage(nullptr)
        {
            reserve(v.size());  // 分配所需空间
            for (const T& elem : v) {
                push_back(elem);  // 拷贝每个元素
            }
        }

        // 赋值操作符，使用拷贝并交换技术
        vector<T>& operator=(vector<T> v) {
            swap(v);  // 调用 swap 函数交换内容
            return *this;
        }

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

        // 其他成员函数同之前实现...

    private:
        T* _start;
        T* _finish;
        T* _endOfStorage;
    };
}
现代写法说明
  • 传值参数：通过传递 vector<T> 的值作为参数，创建一个临时对象 v。调用拷贝构造函数时自动执行拷贝，然后在赋值操作中与现有对象交换内容。传值是安全的，避免了手动内存管理问题。
  • swap：通过交换数据成员 _start、_finish 和 _endOfStorage，避免手动内存释放，简化代码逻辑。交换后的临时对象 v 离开作用域时自动销毁，保证资源释放。
测试用例：
代码语言：javascript复制
void TestCopyAndAssignVector() {
    // 测试拷贝构造函数
    W::vector<int> v1;
    v1.push_back(1);
    v1.push_back(2);
    v1.push_back(3);

    W::vector<int> v2(v1);  // 使用拷贝构造函数
    for (size_t i = 0; i < v2.size();   i) {
        assert(v2[i] == v1[i]);  // 验证每个元素是否相同
    }

    // 测试赋值操作符
    W::vector<int> v3;
    v3 = v1;  // 使用赋值操作符
    for (size_t i = 0; i < v3.size();   i) {
        assert(v3[i] == v1[i]);  // 验证每个元素是否相同
    }

    std::cout << "TestCopyAndAssignVector passed" << std::endl;
}
输出：
代码语言：javascript复制
TestCopyAndAssignVector passed
5.4 优点总结
  • 简化代码：通过传值和 swap，避免了重复的深拷贝代码。
  • 异常安全性：无论是在构造过程中出现异常，还是在赋值操作中，资源都可以安全地释放，避免内存泄漏。
  • 效率：现代 C 的传值优化会确保性能不会显著下降，并且在支持移动语义的场景下，效率非常高。
c++ stl vector 函数 优化

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