C++超详细讲解模拟实现vector

简介

vector 是C++标准模板库（STL）中的一个容器，可以动态地管理数组。在实际开发中，我们经常用到 vector 来管理动态数组，但是很少有人知道 vector 的实现原理。本篇文章将从头实现一个简单的 vector 容器，并且说明 vector 是如何进行动态内存管理的。并且通过代码演示来辅助讲解。

实现步骤

1. 定义一个 Vector 类

首先我们需要定义一个 Vector 类来模拟 vector 的行为，这个类的主要目的是管理一个动态数组，并且提供常用的方法。以下是这个类的头文件：

template <class T> 
class Vector {
public:
    Vector();
    Vector(int size);
    Vector(const Vector<T>& other);
    ~Vector();
    void push_back(const T& value);
    void pop_back();
    void clear();
    int size();
    T& operator[](int index);
    Vector<T>& operator=(const Vector<T>& other);

private:
    T* mData; // 动态数组指针
    int mSize; // 当前 Vector 中元素的个数
    int mCapacity; // Vector 所分配空间的大小
};

2. 编写构造函数和析构函数

在 Vector 类中的构造函数和析构函数是非常重要的，因为我们需要在构造函数中分配内存空间，并且要在析构函数中释放内存空间。

template <typename T> 
Vector<T>::Vector() :
        mData(0), mSize(0), mCapacity(0) {
}

template <typename T> 
Vector<T>::Vector(int size) :
        mData(new T[size]), mSize(size), mCapacity(size) {
}

template <typename T> 
Vector<T>::Vector(const Vector<T>& other) :
        mData(new T[other.mCapacity]), mSize(other.mSize), mCapacity(other.mCapacity) {
    for (int i = 0; i < mSize; i++) {
        mData[i] = other.mData[i];
    }
}

template <typename T>
Vector<T>::~Vector() {
    delete[] mData;
}

3. 编写 push_back 和 pop_back 函数

push_back 函数用于在 Vector 的末尾添加元素。如果 Vector 中元素个数已经满了，则需要扩展 Vector 占用的内存空间。pop_back 函数则用于弹出 Vector 最后一个元素，如果 Vector 为空则不需要做任何操作。

template <typename T>
void Vector<T>::push_back(const T& value) {
    if (mSize == mCapacity) {
        if (mCapacity == 0) {
            mCapacity = 1;
        }
        else {
            mCapacity *= 2;
        }
        T* newData = new T[mCapacity];
        for (int i = 0; i < mSize; i++) {
            newData[i] = mData[i];
        }
        delete[] mData;
        mData = newData;
    }
    mData[mSize++] = value;
}

template <typename T>
void Vector<T>::pop_back() {
    if (mSize > 0) {
        mData[--mSize].~T();
    }
}

4. 编写 clear 函数

clear 函数用于释放 Vector 指针占用的内存，我们需要先调用每个元素的析构函数，然后释放 Vector 指针占用的内存空间。

template <typename T>
void Vector<T>::clear() {
    for (int i = 0; i < mSize; i++) {
        mData[i].~T();
    }
    mSize = 0;
}

5. 编写 operator[] 函数

operator[] 函数用于通过索引获取 Vector 中的元素，这个函数只是简单地返回数组项。

template <typename T>
T& Vector<T>::operator[](int index) {
    return mData[index];
}

6. 编写赋值运算符函数

为了方便使用，我们需要实现一个赋值运算符函数。

template <typename T>
Vector<T>& Vector<T>::operator=(const Vector<T>& other) {
    if (this != &other) {
        delete[] mData;
        mData = new T[other.mCapacity];
        mSize = other.mSize;
        mCapacity = other.mCapacity;
        for (int i = 0; i < mSize; i++) {
            mData[i] = other.mData[i];
        }
    }
    return *this;
}

示例说明

示例一

下面是一个简单的 vector 模拟程序：

#include "Vector.h"
#include <iostream>
using namespace std;

int main() {
    Vector<int> v;
    for (int i = 0; i < 7; i++) {
        v.push_back(i);
    }
    for (int i = 0; i < v.size(); i++) {
        cout << v[i] << " ";
    }
    cout << endl;
    v.pop_back();
    v.pop_back();
    v.pop_back();
    for (int i = 0; i < v.size(); i++) {
        cout << v[i] << " ";
    }
    cout << endl;
    v.clear();
    return 0;
}

运行结果：

0 1 2 3 4 5 6 
0 1 2 

这个程序实现了以下操作：
1. 创建了一个 Vector 容器；
2. 用 push_back 函数向 Vector 中添加元素；
3. 通过 operator[] 函数来访问元素；
4. 使用 pop_back 函数删除最后几个元素；
5. 使用 clear 函数清空 Vector 容器。

示例二

下面是另一个简单的 vector 程序，用于演示赋值运算符的使用：

#include "Vector.h"
#include <iostream>
using namespace std;

int main() {
    Vector<int> v1;
    for (int i = 0; i < 5; i++) {
        v1.push_back(i);
    }
    Vector<int> v2;
    v2 = v1;
    v2.push_back(5);
    for (int i = 0; i < v1.size(); i++) {
        cout << v1[i] << " ";
    }
    cout << endl;
    for (int i = 0; i < v2.size(); i++) {
        cout << v2[i] << " ";
    }
    cout << endl;
    return 0;
}

运行结果：

0 1 2 3 4 
0 1 2 3 4 5 

这个程序实现了以下操作：
1. 创建了两个 Vector 容器；
2. 用 push_back 函数向第一个 Vector 中添加元素；
3. 使用赋值运算符 = 来将第二个 Vector 初始化为第一个 Vector；
4. 向第二个 Vector 中添加一个元素；
5. 通过 operator[] 函数来分别访问两个 Vector 中的元素。

总结

本篇文章实现了一个简单的 Vector 容器，并且说明了实现 Vector 容器的基本原理。同时借助代码演示也让读者对 Vector 的常用操作有更深入的了解。