C++之vector剖析及模拟实现方式
更新时间：2025年09月18日 09:31:55 作者：一枝小雨
文章详解C++ vector实现,涵盖三个指针管理动态数组、容量扩容机制、元素增删操作及深拷贝原理,强调迭代器安全性和memcpy对自定义类型的风险,提供使用示例与注意事项
1.0 std 库 vector 源码
官方文档：vector
成员变量：
template<class T>
class vector
{
public:
typedef T* iterator;
private:
iterator _start;
iterator _finish;
iterator _endofstorage;
};
1.1 vector 类的基本结构与迭代器
类定义与成员变量
template<class T>
class vector
{
public:
typedef T* iterator; // 普通迭代器类型
typedef const T* const_iterator; // const迭代器类型
private:
iterator _start; // 指向数组首元素
iterator _finish; // 指向最后一个元素的下一个位置
iterator _endofstorage; // 指向存储空间末尾的下一个位置
};vector 使用三个指针来管理动态数组：
_start：指向数组的第一个元素_finish：指向最后一个元素之后的位置（即当前元素数量的末尾）_endofstorage：指向已分配内存的末尾之后的位置（即当前容量的末尾）
构造函数与析构函数
// 默认构造函数
vector()
:_start(nullptr)
,_finish(nullptr)
,_endofstorage(nullptr)
{}
// 析构函数
~vector()
{
delete[] _start; // 释放动态分配的内存
_start = _finish = _endofstorage = nullptr; // 指针置空
}- 默认构造函数初始化所有指针为
nullptr - 析构函数释放动态分配的内存并重置所有指针
迭代器访问方法
// 普通正向迭代器
iterator begin() { return _start; }
iterator end() { return _finish; }
// 只读正向迭代器
const_iterator begin() const { return _start; }
const_iterator end() const { return _finish; }- 提供迭代器访问方法，使 vector 支持范围 for 循环和标准库算法
- const 版本确保 const 对象只能进行只读访问
1.2 容量管理
容量查询方法
// 获取元素数量
size_t size() const { return _finish - _start; }
// 获取当前容量
size_t capacity() const { return _endofstorage - _start; }size()返回当前元素数量capacity()返回当前分配的内存容量
扩容机制
// 扩容方法
void reserve(size_t n)
{
size_t sz = size(); // 提前计算当前大小
if (n > capacity())
{
T* tmp = new T[n]; // 分配新内存
if (_start) // 防止第一次分配内存时 memcpy 出错
{
// 这里使用 memcpy 是有问题的，只能对内置类型
// 的vector进行扩容，具体问题和解决方案在
// 后续“memcpy：更深一层次的深浅拷贝问题”
memcpy(tmp, _start, sizeof(T) * sz); // 拷贝数据
delete[] _start; // 释放旧内存
}
_start = tmp;
_finish = tmp + sz;
_endofstorage = tmp + n;
}
}reserve方法用于预分配内存，避免多次重新分配- 需要提前计算
size()，因为重新分配后_start会改变 - 注意：使用
memcpy只能对内置类型进行拷贝，对于自定义类型会有问题
元素访问方法
// 下标运算符重载
T& operator[](size_t i)
{
assert(i < size()); // 越界检查
return _start[i];
}
// const 版本下标运算符
const T& operator[](size_t i) const
{
assert(i < size()); // 越界检查
return _start[i];
}- 提供类似数组的随机访问功能
- 包含越界检查，提高代码安全性
resize
/* resize */
// val不能给0，因为不知道T的类型，所以给一个T的缺省值
void resize(size_t n, const T& val = T())
{
// 缩小size
if (n < size())
_finish = _start + n;
else // 增大size
{
// 假如需要扩容
if (n > capacity())
{
reserve(n);
}
while (_finish < _start + n)
{
*_finish = val;
++_finish;
}
}
}- 可以增大或减小 vector 的大小
- 增大时用指定值填充新元素（默认为 T 类型的默认值）
- 缩小时只是调整
_finish指针，不释放内存
1.3 添加与删除元素
push_back
// 尾插元素
void push_back(const T& x)
{
// 空间不足时扩容
if (_finish == _endofstorage)
{
size_t newcapacity = capacity() == 0 ? 2 : capacity() * 2;
reserve(newcapacity);
}
*_finish = x; // 在末尾位置添加元素
++_finish; // 更新末尾指针
}
// 也可以直接借助insert完成尾插
void push_back(const T& x) { insert(_finish, x); }- 当容量不足时自动扩容（通常翻倍）
- 在尾部添加元素并更新指针
insert
// pos位置插入
void insert(iterator pos, const T& x)
{
assert(pos <= _finish); // 检查位置有效性
// 空间不够就增容
if (_finish == _endofstorage)
{
// 记下pos相对于_start的位置
size_t n = pos - _start;
size_t newcapacity = capacity() == 0 ? 2 : capacity() * 2;
reserve(newcapacity);
// 空间增容导致原pos迭代器失效，更新迭代器位置
pos = _start + n;
}
// 后移元素
iterator end = _finish - 1;
while (end >= pos) // 依次把pos及pos后面的数据往后挪1位
{
*(end + 1) = *end;
--end;
}
*pos = x; // 插入新元素
++_finish; // 更新末尾指针
}- 插入操作需要移动后续元素，时间复杂度为 O(n)
- 扩容会导致迭代器失效，需要重新计算位置
erase
// 删除指定位置元素
iterator erase(iterator pos)
{
assert(pos < _finish); // 检查位置有效性
iterator it = pos;
while (it < _finish) // 将后续元素前移
{
*it = *(it + 1);
++it;
}
--_finish; // 更新末尾指针
return pos; // 返回删除后该位置的迭代器
}
// 尾删
void pop_back() { erase(_finish - 1); }- 删除操作需要移动后续元素，时间复杂度为 O(n)
- 返回删除后位置的迭代器，便于连续删除操作
1.4 拷贝构造与赋值重载
拷贝构造函数
/* 拷贝构造函数 */
vector(const vector<T>& v)
{
_start = new T[v.capacity()];
_finish = _start;
_endofstorage = _start + v.capacity();
// 拷贝数据
for (size_t i = 0; i < v.size(); ++i)
{
*_finish = v[i];
++_finish;
}
}更简洁的写法：
/* 拷贝构造函数（更简洁的写法） */
vector(const vector<T>& v)
:_start(nullptr)
,_finish(nullptr)
,_endofstorage(nullptr)
{
reserve(v.capacity()); // 直接把空间开好，避免增容
for (const auto& e : v) // 把 v 的数据直接一个个push_back进去
push_back(e);
}- 实现深拷贝，避免多个 vector 共享同一内存
- 先预分配足够空间，然后逐个拷贝元素
赋值重载
/* 赋值重载 */
vector<T>& operator=(const vector<T>& v)
{
if (this != &v) // 防止自己赋值给自己
{
delete[] _start;
_start = new T[v.capacity()];
memcpy(_start, v._start, sizeof(T) * v.size());
_finish = _start + v.size();
_endofstorage = _start + v.capacity();
}
return *this;
}赋值重载更简洁的写法：
/* 赋值重载更简洁的写法(现代写法) */
vector<T>& operator=(vector<T> v)
{
swap(v);
return *this;
}- 使用"拷贝-交换"技术实现赋值运算符
- 参数通过值传递自动调用拷贝构造函数
- 交换内容后，临时对象 v 在函数结束时自动析构
深浅拷贝问题
为什么我们需要深拷贝？
/* 深浅拷贝问题 */
void test_vector4()
{
vector<int> v1;
v1.push_back(1);
v1.push_back(2);
v1.push_back(3);
v1.push_back(4);
// 如果我们自己没有实现深拷贝的拷贝构造，就会发生和string类一样的浅拷贝问题
// 两个vector对象的指针指向同一块空间，最后析构时同一块空间被重复释放，发生了错误
// 所以我们需要自己实现深拷贝
vector<int> v2(v1);
for (size_t i = 0; i < v1.size(); ++i)
{
cout << v2[i] << " ";
}
cout << endl;
// 赋值同理
vector<int> v3;
v3.push_back(10);
v3.push_back(20);
v3.push_back(30);
v3.push_back(40);
v1 = v3;
print_vector(v1);
for (auto e : v1)
{
cout << e << " ";
}
cout << endl;
}1.5 memcpy导致的更深一层次的深浅拷贝问题
受篇幅限制，这里给出文章链接：C++ memcpy导致的深拷贝问题
1.6 使用示例
遍历与修改
void test_vector1()
{
vector<int> v;
v.push_back(1);
v.push_back(2);
v.push_back(3);
v.push_back(4);
// 使用迭代器遍历和修改
vector<int>::iterator it = v.begin();
while (it != v.end())
{
*it += 1;
cout << *it << " ";
++it;
}
cout << endl;
// 范围for循环
for (auto& e : v)
{
e -= 1;
cout << e << " ";
}
cout << endl;
// 下标访问
for (size_t i = 0; i < v.size(); ++i)
{
cout << v[i] << " ";
}
cout << endl;
}插入与删除
void test_vector2()
{
vector<int> v;
v.push_back(1);
v.push_back(2);
v.push_back(3);
v.push_back(4);
v.push_back(5);
v.push_back(6);
v.insert(v.begin(), 0); // 在开头插入0
// 删除所有偶数
vector<int>::iterator it = v.begin();
while (it != v.end())
{
if (*it % 2 == 0)
{
it = v.erase(it); // 删除元素并更新迭代器
}
else
{
++it;
}
}
}总结
以上为个人经验，希望能给大家一个参考，也希望大家多多支持脚本之家。
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