一、vector底層實(shí)現(xiàn)機(jī)制刨析

通過分析 vector 容器的源代碼不難發(fā)現(xiàn)，它就是使用 3 個(gè)迭代器（可以理解成指針）來表示的：
其中statrt指向vector 容器對(duì)象的起始字節(jié)位置；
finish指向當(dāng)前最后一個(gè)元素的末尾字節(jié)
end_of指向整個(gè) vector 容器所占用內(nèi)存空間的末尾字節(jié)。
如圖 演示了以上這 3 個(gè)迭代器分別指向的位置

如圖 演示了以上這 2個(gè)迭代器分別指向的位置

在此基礎(chǔ)上，將 3 個(gè)迭代器兩兩結(jié)合，還可以表達(dá)不同的含義，例如：
start 和 finish 可以用來表示 vector 容器中目前已被使用的內(nèi)存空間；
finish 和 end_of可以用來表示 vector 容器目前空閑的內(nèi)存空間；
start和 end_of可以用表示 vector 容器的容量。

二、vector的核心框架接口的模擬實(shí)現(xiàn)

1.vector的迭代器實(shí)現(xiàn)

typedef T* Iteratot;
typedef T* const_Iteratot;

Iteratot cend()const {
			return final_end;
		}
		Iteratot cbegin()const {
			return start;
		}
			Iteratot end() {
			return final_end;
		}
		Iteratot begin() {
			return start;
		}

vector的迭代器是一個(gè)原生指針,他的迭代器和String相同都是操作指針來遍歷數(shù)據(jù)：

• begin()返回的是vector 容器對(duì)象的起始字節(jié)位置；
• end()返回的是當(dāng)前最后一個(gè)元素的末尾字節(jié)；

2.reserve()擴(kuò)容

	void reserve(size_t n) {

			if (n > capacity()) {
				T* temp = new T  [n];
				//把statrt中的數(shù)據(jù)拷貝到temp中
				size_t size1 = size();
				memcpy(temp, start, sizeof(T*) * size());
			
				start = temp;
			  final_end = start + size1;
				finally = start + n;
			}
		}

當(dāng) vector 的大小和容量相等（size==capacity）也就是滿載時(shí)，如果再向其添加元素，那么 vector 就需要擴(kuò)容。vector 容器擴(kuò)容的過程需要經(jīng)歷以下 3 步：

• 完全棄用現(xiàn)有的內(nèi)存空間，重新申請(qǐng)更大的內(nèi)存空間；
• 將舊內(nèi)存空間中的數(shù)據(jù)，按原有順序移動(dòng)到新的內(nèi)存空間中；
• 最后將舊的內(nèi)存空間釋放。

這也就解釋了，為什么 vector 容器在進(jìn)行擴(kuò)容后，與其相關(guān)的指針、引用以及迭代器可能會(huì)失效的原因。

由此可見，vector 擴(kuò)容是非常耗時(shí)的。為了降低再次分配內(nèi)存空間時(shí)的成本，每次擴(kuò)容時(shí) vector 都會(huì)申請(qǐng)比用戶需求量更多的內(nèi)存空間（這也就是 vector 容量的由來，即 capacity>=size），以便后期使用。

vector 容器擴(kuò)容時(shí)，不同的編譯器申請(qǐng)更多內(nèi)存空間的量是不同的。以 VS 為例，它會(huì)擴(kuò)容現(xiàn)有容器容量的 50%。

使用memcpy拷貝問題
reserve擴(kuò)容就是開辟新空間用memcpy將老空間的數(shù)據(jù)拷貝到新開空間中。
假設(shè)模擬實(shí)現(xiàn)的vector中的reserve接口中，使用memcpy進(jìn)行的拷貝，以下代碼會(huì)發(fā)生什么問題？

int main()
{
bite::vector<bite::string> v;
v.push_back("1111");
v.push_back("2222");
v.push_back("3333");
return 0;
}

問題分析:

• memcpy是內(nèi)存的二進(jìn)制格式拷貝，將一段內(nèi)存空間中內(nèi)容原封不動(dòng)的拷貝到另外一段內(nèi)存空間中
• 如果拷貝的是自定義類型的元素，memcpy即高效又不會(huì)出錯(cuò)，但如果拷貝的是自定義類型元素，并且自定義類型元素中涉及到資源管理時(shí)，就會(huì)出錯(cuò)，因?yàn)閙emcpy的拷貝實(shí)際是淺拷貝。
  

結(jié)論：如果對(duì)象中涉及到資源管理時(shí)，千萬不能使用memcpy進(jìn)行對(duì)象之間的拷貝，因?yàn)閙emcpy是淺拷貝，否則可能會(huì)引起內(nèi)存泄漏甚至程序崩潰。

3.尾插尾刪(push_back(),pop_back())

	void push_back(const T&var) {
			if (final_end ==finally) {
				size_t newcode = capacity() == 0 ? 4 : capacity() * 2;

				reserve(newcode);
			}
			*final_end = var;
			++final_end;
		void pop_back() {
		
			final_end--;
		}

插入問題一般先要判斷空間是否含有閑置空間，如果沒有，就要開辟空間。我們final_end==finally來判斷是否含有閑置空間。如果容器含沒有空間先開辟4字節(jié)空間，當(dāng)滿了后開2capacoity()空間。在final_end部插入數(shù)據(jù)就行了。對(duì)final_end加以操作。

4.對(duì)insert()插入時(shí)迭代器失效刨析

		Iteratot insert(Iteratot iterator,const T&var) {
			assert(iterator <= final_end && iterator >= start);
			size_t pos = iterator - start;
			if (final_end == finally) {
				
				size_t newcode = capacity() == 0 ? 4 : capacity() * 2;
				reserve(newcode);	
			}
			//插入操作
			auto it = final_end;
			while (it >= start+pos) {
				*(it+1)=*it;
				it--;
			}
			*iterator = var;
			final_end++;
			
			return iterator;
		}

假設(shè)這是一段vector空間要在pos插入數(shù)據(jù)，但是剛剛好final_end和final在同一位置，這個(gè)容器滿了，要對(duì)這這個(gè)容器做擴(kuò)容操作。首先對(duì)開辟和這個(gè)空間的2唄大小的空間

接著把老空間數(shù)據(jù)拷貝到新空間中釋放老空間。

由于老空間釋放了pos指向的內(nèi)存不見了。pos指針就成了野指針。
這如何解決呢就是在老空間解決之間保存這個(gè)指針，接著讓他重新指向新空間的原來位置。

而insert()函數(shù)返回了這個(gè)位置迭代器這為迭代器失效提供了方法，這個(gè)方法就是重新賦值。讓這個(gè)指針重新指向該指向的位置。

5.對(duì)erase()數(shù)據(jù)刪除時(shí)迭代器失效刨析

	Iteratot erase(Iteratot iterator) {
				assert(iterator <= final_end && iterator >= start);
				auto it = iterator;
				while (it <final_end) {
					*it = *(it+1);
					it++;
				}
				final_end--;
				return iterator;
			}

vector使用erase刪除元素，其返回值指向下一個(gè)元素，但是由于vector本身的性質(zhì)（存在一塊連續(xù)的內(nèi)存上），刪掉一個(gè)元素后，其后的元素都會(huì)向前移動(dòng)，所以此時(shí)指向下一個(gè)元素的迭代器其實(shí)跟剛剛被刪除元素的迭代器是一樣的。
以下為解決迭代器失效方案：

#include <vector>
#include <iostream>
using namespace std;
 
int main()
{
    int a[] = {1, 4, 3, 7, 9, 3, 6, 8, 3, 3, 5, 2, 3, 7};
    vector<int> vector_int(a, a + sizeof(a)/sizeof(int));
 
 
 
 
/*方案一*/
    // for(int i = 0; i < vector_int.size(); i++)
    // {
    //     if(vector_int[i] == 3)
    //     {
    //         vector_int.erase(vector_int.begin() + i);
    //         i--;
    //     }
    // } 
 
/*方案二*/
    // for(vector<int>::iterator itor = vector_int.begin(); itor != vector_int.end(); ++itor)
    // {
    //     if (*itor == 3)
    //     {
    //         vector_int.erase(itor);
    //         --itor;
    //     }
 
    // }
 
/*方案三*/
vector<int>::iterator v = vector_int.begin();
while(v != vector_int.end())
{
    if(*v == 3)
    {
        v = vector_int.erase(v);
        cout << *v << endl;
    }
    else{
        v++;
    }
}
 
/*方案四*/
// vector<int>::iterator v = vector_int.begin();
// while(v != vector_int.end())
// {
//     if(*v == 3)
//     {
//         vector_int.erase(v); 
//     }
//     else{
//         v++;
//     }
// }
 
    for(vector<int>::iterator itor = vector_int.begin(); itor != vector_int.end(); itor++)
    {
        cout << * itor << "  ";
    }
    cout << endl;
    return 0;
}

一共有四種方案。

方案一表明vector可以用下標(biāo)訪問元素，顯示出其隨機(jī)訪問的強(qiáng)大。并且由于vector的連續(xù)性，且for循環(huán)中有迭代器的自加，所以在刪除一個(gè)元素后，迭代器需要減1。

方案二與方案一在迭代器的處理上是類似的，不過對(duì)元素的訪問采用了迭代器的方法。

方案三與方案四基本一致，只是方案三利用了erase()函數(shù)的返回值是指向下一個(gè)元素的性質(zhì)，又由于vector的性質(zhì)（連續(xù)的內(nèi)存塊），所以方案四在erase后并不需要對(duì)迭代器做加法。

以上就是C語言數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)之vector底層實(shí)現(xiàn)機(jī)制解析的詳細(xì)內(nèi)容，更多關(guān)于C語言 vector底層機(jī)制的資料請(qǐng)關(guān)注腳本之家其它相關(guān)文章！

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