《STL系列》之vector原理及实现

最近忙得蛋疼，但还是想写点属于自己的东西。也不知道写点啥，最后决定试着自己实现STL中常用的几个集合，一来加深自己对STL的理解，二来看看自己是否有这个能力实现。实现目标就是：1能和STL兼容；2最大化的实现STL中的接口并保持一致。即将STL中的集合换成我写的也能用。这篇博客介绍的是vector的原理及实现。

先把vector的大致实现说一下，后面会给出完整的源码。

新增元素：Vector通过一个连续的数组存放元素，如果集合已满，在新增数据的时候，就要分配一块更大的内存，将原来的数据复制过来，释放之前的内存，在插入新增的元素。插入新的数据分在最后插入push_back和通过迭代器在任何位置插入，这里说一下通过迭代器插入，通过迭代器与第一个元素的距离知道要插入的位置，即int index=iter-begin()。这个元素后面的所有元素都向后移动一个位置，在空出来的位置上存入新增的元素。

        void insert(const_iterator iter,const T& t )
        {  
            int index=iter-begin();
            if (index<size_)
            {
                if (size_==capacity_)
                {
                    int capa=calculateCapacity();
                    newCapacity(capa);
                }
                memmove(buf+index+1,buf+index,(size_-index)*sizeof(T)); 
                buf[index]=t;
                size_++;
            } 
        }

删除元素：删除和新增差不多，也分两种，删除最后一个元素pop_back和通过迭代器删除任意一个元素erase(iter)。通过迭代器删除还是先找到要删除元素的位置，即int index=iter-begin();这个位置后面的每个元素都想前移动一个元素的位置。同时我们知道erase不释放内存只初始化成默认值。

删除全部元素clear：只是循环调用了erase，所以删除全部元素的时候，不释放内存。内存是在析构函数中释放的。

        iterator erase(const_iterator iter)
        {
            int index=iter-begin(); 
            if (index<size_ && size_>0)
            {
                memmove(buf+index ,buf+index+1,(size_-index)*sizeof(T)); 
                buf[--size_]=T();
            } 
            return iterator(iter); 
        }

迭代器iteraotr是STL的一个重要组成部分,通过iterator可以很方便的存储集合中的元素.STL为每个集合都写了一个迭代器, 迭代器其实是对一个指针的包装,实现一些常用的方法,如++,--,!=,==,*,->等, 通过这些方法可以找到当前元素或是别的元素. vector是STL集合中比较特殊的一个,因为vector中的每个元素都是连续的,所以在自己实现vector的时候可以用指针代替,如typedef T* iterator;typedef const T* const_iterator，如果STL中的函数能方便的操作自己写的集合，实现的迭代器最好继承std::iterator<std::forward_iterator_tag,T>。我实现vector的迭代器大概是这个样子：

template<typename T>

class viterator:public std::iterator<std::forward_iterator_tag,T>{}

后面会给出完整的代码，std::iterator<std::forward_iterator_tag,T>的源码如下：

template<class _Category,
    class _Ty,
    class _Diff = ptrdiff_t,
    class _Pointer = _Ty *,
    class _Reference = _Ty&>
    struct iterator
    {    // base type for all iterator classes
           typedef _Category iterator_category;
           typedef _Ty value_type;
           typedef _Diff difference_type;
           typedef _Diff distance_type;    // retained
           typedef _Pointer pointer;
           typedef _Reference reference;
    };

Iterator其中没有任何成员，只是定义了一组类型，所以继承它并不会让你的struct变大，这组类型是STL的内部契约，STL中的函数假设每个迭代器都定义了这些类型，所以只要你的迭代器定义了这些类型，就可以和STL函数集合一起使用。

我的vector实现源码如下：

#ifndef _CVECTOR_H_
#define _CVECTOR_H_

namespace cth
{
    class NoCopy
    {
    public: 
        inline NoCopy(){}
        NoCopy(const NoCopy&);
        NoCopy& operator=(const NoCopy&); 
    };

    template<typename T>
    class viterator:public std::iterator<std::forward_iterator_tag,T>
    {
    public: 
        viterator()
        {
            t=NULL;
        }
        viterator(T* t_)
        {
            t=t_;
        }
        viterator(const viterator& other)
        {
            t=other.t;
        }
        viterator& operator=(const viterator& other)
        {
            t=other.t;
            return *this;
        }

        viterator& operator++()
        {
            t++;
            return *this;
        } 
        viterator operator++(int)
        {
            viterator iter=*this;
            t++;
            return iter;
        } 
        viterator operator+(int count)
        {
            viterator iter=*this;
            iter.t+=count;
            return iter;
        } 
        viterator& operator--()
        {
            t--;
            return *this;
        } 
        viterator operator--(int)
        {
            viterator iter=*this;
            t--;
            return iter;
        } 
        viterator operator-(int count)
        {
            viterator iter=*this;
            iter.t-=count;
            return iter;
        }

        int operator-(const viterator& other)
        { 
            return t-other.t;
        } 
        int operator-(const viterator& other)const
        { 
            return t-other.t;
        }

        T& operator*()
        {
            return *t;
        } 
        const T& operator*() const
        {
            return *t;
        }

        T* operator->()
        {
            return t;
        }
        const T* operator->() const
        {
            return t;
        }

        inline bool operator!=(const viterator& other)
        {
            return t!=other.t;
        }
        inline bool operator!=(const viterator& other)const
        {
            return t!=other.t;
        }

        inline bool operator==(const viterator& other)
        {
            return t==other.t;
        }
        inline bool operator==(const viterator& other)const
        {
            return t==other.t;
        }

        inline bool operator<(const viterator& other)
        {
            return t<other.t;
        }
        inline bool operator<(const viterator& other)const
        {
            return t<other.t;
        }

        inline bool operator<=(const viterator& other)
        {
            return t<=other.t;
        }
        inline bool operator<=(const viterator& other)const
        {
            return t<=other.t;
        }

        inline bool operator>(const viterator& other)
        {
            return t>other.t;
        }
        inline bool operator>(const viterator& other)const
        {
            return t>other.t;
        }

        inline bool operator>=(const viterator& other)
        {
            return t>=other.t;
        } 
        inline bool operator>=(const viterator& other)const
        {
            return t>=other.t;
        } 
    private: 
        T* t;
    };


    template<typename T>
    class cvector:public NoCopy
    {
    public: 
        typedef viterator<T> iterator;//viterator<T>就是对一个指针的包装，所以完全可以用T*代替viterator <T>
        typedef const viterator<T> const_iterator;

        //typedef T* iterator;
        //typedef const T* const_iterator;
        cvector()
        {
            initData(0);
        } 
        cvector(int capa,const T& val=T())
        { 
            initData(capa);
            newCapacity(capacity_);
            for (int i=0;i<size_;i++) 
                buf[i]=val; 
        } 
        cvector(const_iterator first,const_iterator last)
        {  
            initData(last-first);
            newCapacity(capacity_);
            iterator iter=iterator(first); 
            int index=0;
            while(iter!=last)
                buf[index++]=*iter++;
        }

        ~cvector()
        {
            if (buf)
            {
                delete[] buf;
                buf=NULL;
            }
            size_=capacity_=0;
        }
        void clear()
        {
            if (buf)
                erase(begin(),end());
        }

        void push_back(const T& t)
        {
            if (size_==capacity_)
            {
                int capa=calculateCapacity();
                newCapacity(capa);
            }
            buf[size_++]=t;
        }
        void pop_back()
        { 
            if (!empty())
                erase(end() - 1); 
        }

        int insert(const_iterator iter,const T& t )
        {  
            int index=iter-begin();
            if (index<=size_)
            {
                if (size_==capacity_)
                {
                    int capa=calculateCapacity();
                    newCapacity(capa);
                }
                memmove(buf+index+1,buf+index,(size_-index)*sizeof(T)); 
                buf[index]=t;
                size_++;
            } 
            return index;
        }
        iterator erase(const_iterator iter)
        {
            int index=iter-begin(); 
            if (index<size_ && size_>0)
            {
                memmove(buf+index ,buf+index+1,(size_-index)*sizeof(T)); 
                buf[--size_]=T();
            } 
            return iterator(iter); 
        }

        iterator erase(const_iterator first,const_iterator last)
        { 
            iterator first_=iterator(first);
            iterator last_=iterator(last); 
            while(first_<=last_--) 
                erase(first_);  
            return iterator(first_);
        }

        T& front()
        { 
            assert(size_>0);
            return buf[0];
        }
        T& back()
        { 
            assert(size_>0);
            return buf[size_-1];
        }
        T& at(int index)
        { 
            assert(size_>0);
            return buf[index];
        }
        T& operator[](int index)
        { 
            assert(size_>0 && index>=0 && index<size_);
            return buf[index];
        }

        bool empty() const
        {
            return size_==0; 
        }
        int size() const
        {
            return size_;
        }
        int capacity() const
        {
            return capacity_;
        }

        iterator begin()
        {  
            return iterator(&buf[0]); 
        } 
        iterator end()
        {  
            return iterator(&buf[size_]); 
        }

    private: 
        void newCapacity(int capa)
        { 
            capacity_=capa;
            T* newBuf=new T[capacity_];
            if (buf)
            {
                memcpy(newBuf,buf,size_*sizeof(T)); 
                delete [] buf;
            } 
            buf=newBuf;
        }

        inline int calculateCapacity()
        {
            return capacity_*3/2+1 ;
        }

        inline void initData(int capa)
        {
            buf=NULL;
            size_=capacity_=capa>0?capa:0;
        }
        int size_; 
        int capacity_ ;
        T* buf; 
    };



    struct Point
    {
        Point(int x_=0,int y_=0):x(x_),y(y_){}
        int x,y;
    };

    bool operator<(const Point& p1,const Point& p2)
    {
        if(p1.x<p2.x)
        {
            return true;
        }else if(p1.x>p2.x)
        {
            return false;
        }
        return p1.y<p2.y;
    }

    void cvectorTest()
    {
        cvector<Point> vect;
        for (int i=0;i<10;i++)
        {
            Point p(i,i); 
            vect.push_back(p);
        }

        cvector<Point>::iterator iter=vect.begin(); 
        while (iter!=vect.end())
        {
            cout<< "[" << iter->x << " " << iter->y <<"], ";
            ++iter;
        }
        iter=vect.begin()+5; 
        vect.insert(iter,Point(55,55)); 
        iter=vect.end()-3; 
        vect.insert(iter,Point(77,77));
        cout<<endl<<endl<<"插入两个元素后："<<endl;
        iter=vect.begin(); 
        while (iter!=vect.end())
        {
            cout<< "[" << iter->x << " " << iter->y <<"], ";
            ++iter;
        }
        std::sort(vect.begin(),vect.end());
        cout<<endl<<endl<<"排序后："<<endl;
        iter=vect.begin(); 
        while (iter!=vect.end())
        {
            cout<< "[" << iter->x << " " << iter->y <<"], ";
            ++iter;
        }
        vect.erase(vect.begin()+10);
        vect.erase(vect.begin()+10);
        cout<<endl<<endl<<"删除之前新增的两个元素"<<endl;
        iter=vect.begin(); 
        while (iter!=vect.end())
        {
            cout<< "[" << iter->x << " " << iter->y <<"], ";
            ++iter;
        }
        vect.clear();
        cout<<endl<<endl<<"执行clear之后"<<endl;
        cout<<"size="<<vect.size()<<",capacity="<<vect.capacity();

        cvector<Point> vect1;
        for (int i=10;i<20;i++)
        {
            Point p(i,i); 
            vect1.push_back(p);
        }
        cout<<endl<<endl<<"从别的cvector复制数据:"<<endl;

        cvector<Point> vect2(vect1.begin(),vect1.end());
        vect2.pop_back();
        vect2.pop_back();
        for(int i=0;i<vect2.size();i++)
        {
            cout<<"["<<vect2[i].x<<","<<vect2[i].y<<"], ";
        }

        cout<<endl; 
    }

}

#endif

实例代码级运行结果如下：

    struct Point
    {
        Point(int x_=0,int y_=0):x(x_),y(y_){}
        int x,y;
    };

    bool operator<(const Point& p1,const Point& p2)
    {
        if(p1.x<p2.x)
        {
            return true;
        }else if(p1.x>p2.x)
        {
            return false;
        }
        return p1.y<p2.y;
    }

    void cvectorTest()
    {
        cvector<Point> vect;
        for (int i=0;i<10;i++)
        {
            Point p(i,i); 
            vect.push_back(p);
        }

        cvector<Point>::iterator iter=vect.begin(); 
        while (iter!=vect.end())
        {
            cout<< "[" << iter->x << " " << iter->y <<"], ";
            ++iter;
        }
        iter=vect.begin()+5; 
        vect.insert(iter,Point(55,55)); 
        iter=vect.end()-3; 
        vect.insert(iter,Point(77,77));
        cout<<endl<<endl<<"插入两个元素后："<<endl;
        iter=vect.begin(); 
        while (iter!=vect.end())
        {
            cout<< "[" << iter->x << " " << iter->y <<"], ";
            ++iter;
        }
        std::sort(vect.begin(),vect.end());
        cout<<endl<<endl<<"排序后："<<endl;
        iter=vect.begin(); 
        while (iter!=vect.end())
        {
            cout<< "[" << iter->x << " " << iter->y <<"], ";
            ++iter;
        }
        vect.erase(vect.begin()+10);
        vect.erase(vect.begin()+10);
        cout<<endl<<endl<<"删除之前新增的两个元素"<<endl;
        iter=vect.begin(); 
        while (iter!=vect.end())
        {
            cout<< "[" << iter->x << " " << iter->y <<"], ";
            ++iter;
        }
        vect.clear();
        cout<<endl<<endl<<"执行clear之后"<<endl;
        cout<<"size="<<vect.size()<<",capacity="<<vect.capacity();

        cvector<Point> vect1;
        for (int i=10;i<20;i++)
        {
            Point p(i,i); 
            vect1.push_back(p);
        }
        cout<<endl<<endl<<"从别的cvector复制数据:"<<endl;
         
        cvector<Point> vect2(vect1.begin(),vect1.end());
        vect2.pop_back();
        vect2.pop_back();
        for(int i=0;i<vect2.size();i++)
        {
            cout<<"["<<vect2[i].x<<","<<vect2[i].y<<"], ";
        }
         
        cout<<endl; 
    }

之后还会有list，set，map等的实现，敬请期待......