C++?vector容器底層深度剖析與模擬實(shí)現(xiàn)代碼示例
更新時間：2026年01月05日 09:44:23 作者：近津薪荼
vector容器是STL中最常用的容器之一,它和array容器非常類似,都可以看做是對C++普通數(shù)組的升級版,這篇文章主要介紹了C++?vector容器底層深度剖析與模擬實(shí)現(xiàn)的相關(guān)資料,需要的朋友可以參考下
1 模板的使用說明
在C++中，模板是實(shí)現(xiàn)泛型編程的重要工具，它允許我們編寫與數(shù)據(jù)類型無關(guān)的代碼。vector容器正是通過模板技術(shù)實(shí)現(xiàn)的，可以存儲任意類型的數(shù)據(jù)：
template<class T>
class vector
{
// ... 實(shí)現(xiàn)細(xì)節(jié)
};這里的T是類型參數(shù)，當(dāng)我們創(chuàng)建vector對象時，需要指定具體的類型
vector<int> intVector; // 存儲int類型的vector vector<string> strVector; // 存儲string類型的vector vector<double> dblVector; // 存儲double類型的vector
模板的使用讓vector具有了極強(qiáng)的通用性，可以容納各種數(shù)據(jù)類型，從基本類型到自定義類類型。
2 vector深度剖析及模擬實(shí)現(xiàn)
2.1 vector的成員變量
vector底層使用動態(tài)數(shù)組實(shí)現(xiàn)，通過三個指針來管理內(nèi)存：
private:
iterator _start = nullptr; // 指向數(shù)組的開始位置
iterator _finish = nullptr; // 指向最后一個元素的下一個位置
iterator _end_of_storage = nullptr; // 指向分配內(nèi)存的末尾在這里，給了三個指針缺省值nullptr初始化。
2.2 構(gòu)造函數(shù)
vector提供了多種構(gòu)造函數(shù)來滿足不同的初始化需求：、
2.2.1 指定大小和初始值的構(gòu)造函數(shù)
vector(size_t n, const T& val = T())
{
reserve(n);
for (size_t i = 0; i < n; i++)
{
push_back(val);
}
}使用示例：
vector<int> v1(5); // 包含5個0的vector vector<int> v2(3, 10); // 包含3個10的vector vector<string> v3(2, "hello"); // 包含2個"hello"的vector
2.2.2 迭代器范圍構(gòu)造函數(shù)
template <class InputIterator>
vector(InputIterator first, InputIterator last)
{
while (first != last)
{
push_back(*first);
++first;
}
}這個構(gòu)造函數(shù)是函數(shù)模板，可以接受任意類型的迭代器：
int arr[] = {1, 2, 3, 4, 5};
vector<int> v1(arr, arr + 5); // 從數(shù)組構(gòu)造
vector<int> v2(v1.begin(), v1.end()); // 從另一個vector構(gòu)造2.2.3 拷貝構(gòu)造函數(shù)（現(xiàn)代寫法）
vector(const vector<T>& v)
{
vector<T> tmp(v.begin(), v.end());
swap(tmp);
}現(xiàn)代寫法通過創(chuàng)建臨時對象并交換資源，代碼簡潔且異常安全~
2.3 賦值運(yùn)算符重載
vector<T>& operator=(vector<T> tmp)
{
swap(tmp);
return *this;
}2.4 容量相關(guān)操作
2.4.1 reserve 開空間
void reserve(size_t n)
{
if (n > capacity())
{
size_t sz = size();
T* tmp = new T[n];
if (_start)
{
for (size_t i = 0; i < sz; i++)
{
std::swap(tmp[i], _start[i]);
}
delete[] _start;
}
_start = tmp;
_finish = _start + sz;
_end_of_storage = _start + n;
}
}使用
std::swap而不是直接賦值，這樣可以高效地交換資源（）如果直接使用
memcpy，對于管理資源的類（如string）會導(dǎo)致淺拷貝問題！重新計算
_finish和_end_of_storage指針
2.4.2 用resize 調(diào)整大小
void resize(size_t n, T val = T())
{
if (n < size())
{
// 縮小size，只是移動_finish指針
_finish = _start + n;
}
else
{
reserve(n); // 可能需要擴(kuò)容
while (_finish < _start + n)
{
*_finish = val;
++_finish;
}
}
}這里使用匿名對象做缺省參數(shù)。
使用示例：
vector<int> v = {1, 2, 3};
v.resize(5); // 變?yōu)?{1, 2, 3, 0, 0}
v.resize(2); // 變?yōu)?{1, 2}2.4.3 size和capacity
size_t capacity() const
{
return _end_of_storage - _start;
}
size_t size() const
{
return _finish - _start;
}2.5 元素訪問操作
2.5.1 下標(biāo)運(yùn)算符
T& operator[](size_t i)
{
assert(i < size());
return _start[i];
}
const T& operator[](size_t i) const
{
assert(i < size());
return _start[i];
}提供const和非const版本，支持讀寫訪問和只讀訪問。
2.6 修改操作
2.6.1 push_back 尾部添加元素
void push_back(const T& x)
{
if (_finish == _end_of_storage)
{
reserve(capacity() == 0 ? 4 : capacity() * 2);
}
*_finish = x;
++_finish;
}擴(kuò)容策略：初始為0時分配4個元素空間，否則每次擴(kuò)容為原來的2倍。
2.6.2 pop_back 尾部刪除元素
void pop_back()
{
assert(!empty());
--_finish;
}2.6.3 insert 在指定位置插入元素
iterator insert(iterator pos, const T& x)
{
assert(pos >= _start);
assert(pos <= _finish);
// 擴(kuò)容
if (_finish == _end_of_storage)
{
size_t len = pos - _start;
reserve(capacity() == 0 ? 4 : capacity() * 2);
pos = _start + len;
}
// 挪動數(shù)據(jù)
iterator end = _finish - 1;
while (end >= pos)
{
*(end + 1) = *end;
--end;
}
*pos = x;
++_finish;
return pos;
}擴(kuò)容后需要重新計算pos的位置，因?yàn)開start可能改變了。
2.6.4 erase 刪除指定位置元素
iterator erase(iterator pos)
{
assert(pos >= _start);
assert(pos < _finish);
iterator it = pos + 1;
while (it != _finish)
{
*(it - 1) = *it;
++it;
}
--_finish;
return pos;
}3 vector迭代器失效問題
迭代器失效是使用vector時需要特別注意的問題，不當(dāng)使用會導(dǎo)致未定義行為。
3.1 insert失效問題
當(dāng)在vector中插入元素時，如果引起擴(kuò)容，所有迭代器都會失效。
void test_vector2()
{
bit::vector<int> v;
v.push_back(1);
v.push_back(2);
v.push_back(3);
v.push_back(4);
auto it = v.begin() + 3;
v.insert(v.begin(), 0); // 可能引起擴(kuò)容
// insert以后，it失效了，不能再使用
// *it = 10; // 錯誤！未定義行為
}3.2 erase失效問題
erase操作會使被刪除元素及其后面所有元素的迭代器失效。
void test_vector3()
{
bit::vector<int> v;
v.push_back(1);
v.push_back(2);
v.push_back(3);
v.push_back(4);
v.push_back(5);
auto it = v.begin() + 2;
v.erase(v.begin()); // 刪除第一個元素
// it失效了，不能訪問，訪問結(jié)果未定義
// cout << *it << endl; // 錯誤！
}3.3 刪除所有的偶數(shù)
正確使用erase刪除元素的模式：
void test_vector4()
{
bit::vector<int> v;
v.push_back(1);
v.push_back(2);
v.push_back(2);
v.push_back(3);
v.push_back(4);
v.push_back(5);
v.push_back(6);
// 正確做法：接收erase的返回值
auto it = v.begin();
while (it != v.end())
{
if (*it % 2 == 0)
{
it = v.erase(it); // erase返回下一個有效迭代器
}
else
{
++it;
}
}
// 錯誤做法：直接遞增迭代器
// auto it = v.begin();
// while (it != v.end())
// {
// if (*it % 2 == 0)
// {
// v.erase(it); // erase后it失效
// }
// ++it; // 錯誤：對失效迭代器遞增
// }
}3.4 不同編譯器對迭代器失效的檢查
不同編譯器對迭代器失效的檢查嚴(yán)格程度不同：
Debug模式下通常會進(jìn)行嚴(yán)格的迭代器檢查
Release模式下可能沒有檢查，導(dǎo)致難以發(fā)現(xiàn)的bug
Linux的gcc編譯器檢查就會比較寬松
3.5 擴(kuò)容之后，迭代器已經(jīng)失效了
vector<int> v = {1, 2, 3};
auto it = v.begin();
v.push_back(4); // 可能引起擴(kuò)容
// it已經(jīng)失效，不能再使用3.6 erase刪除的迭代器如果是最后一個元素
vector<int> v = {1, 2, 3};
auto it = v.begin() + 2; // 指向3
it = v.erase(it); // 刪除最后一個元素
// 此時it == v.end()，不能解引用3.7 string的迭代器失效
與vector類似，string在插入、擴(kuò)容操作、erase之后，迭代器也會失效。
4 本文代碼完整展示
（一）vector.h
#pragma once
#include <iostream>
#include <assert.h>
using namespace std;
namespace bit
{
template<class T>
class vector
{
public:
typedef T* iterator;
typedef const T* const_iterator;
iterator begin()
{
return _start;
}
iterator end()
{
return _finish;
}
const_iterator begin() const
{
return _start;
}
const_iterator end() const
{
return _finish;
}
// 構(gòu)造函數(shù) - 指定大小和初始值
vector(size_t n, const T& val = T())
{
reserve(n);
for (size_t i = 0; i < n; i++)
{
push_back(val);
}
}
vector(int n, const T& val = T())
{
reserve(n);
for (int i = 0; i < n; i++)
{
push_back(val);
}
}
// 迭代器范圍構(gòu)造函數(shù)
template <class InputIterator>
vector(InputIterator first, InputIterator last)
{
while (first != last)
{
push_back(*first);
++first;
}
}
// 默認(rèn)構(gòu)造函數(shù)
vector() = default;
// 拷貝構(gòu)造函數(shù)（現(xiàn)代寫法）
vector(const vector<T>& v)
{
vector<T> tmp(v.begin(), v.end());
swap(tmp);
}
// 賦值運(yùn)算符（現(xiàn)代寫法）
vector<T>& operator=(vector<T> tmp)
{
swap(tmp);
return *this;
}
// 交換兩個vector
void swap(vector<T>& v)
{
std::swap(_start, v._start);
std::swap(_finish, v._finish);
std::swap(_end_of_storage, v._end_of_storage);
}
// 清空元素
void clear()
{
_finish = _start;
}
// 判斷是否為空
bool empty() const
{
return _start == _finish;
}
// 預(yù)留空間
void reserve(size_t n)
{
if (n > capacity())
{
size_t sz = size();
T* tmp = new T[n];
if (_start)
{
for (size_t i = 0; i < sz; i++)
{
std::swap(tmp[i], _start[i]);
}
delete[] _start;
}
_start = tmp;
_finish = _start + sz;
_end_of_storage = _start + n;
}
}
// 調(diào)整大小
void resize(size_t n, T val = T())
{
if (n < size())
{
_finish = _start + n;
}
else
{
reserve(n);
while (_finish < _start + n)
{
*_finish = val;
++_finish;
}
}
}
// 獲取容量
size_t capacity() const
{
return _end_of_storage - _start;
}
// 獲取元素個數(shù)
size_t size() const
{
return _finish - _start;
}
// 下標(biāo)運(yùn)算符
T& operator[](size_t i)
{
assert(i < size());
return _start[i];
}
const T& operator[](size_t i) const
{
assert(i < size());
return _start[i];
}
// 尾部添加元素
void push_back(const T& x)
{
if (_finish == _end_of_storage)
{
reserve(capacity() == 0 ? 4 : capacity() * 2);
}
*_finish = x;
++_finish;
}
// 尾部刪除元素
void pop_back()
{
assert(!empty());
--_finish;
}
// 在指定位置插入元素
iterator insert(iterator pos, const T& x)
{
assert(pos >= _start);
assert(pos <= _finish);
if (_finish == _end_of_storage)
{
size_t len = pos - _start;
reserve(capacity() == 0 ? 4 : capacity() * 2);
pos = _start + len;
}
iterator end = _finish - 1;
while (end >= pos)
{
*(end + 1) = *end;
--end;
}
*pos = x;
++_finish;
return pos;
}
// 刪除指定位置元素
iterator erase(iterator pos)
{
assert(pos >= _start);
assert(pos < _finish);
iterator it = pos + 1;
while (it != _finish)
{
*(it - 1) = *it;
++it;
}
--_finish;
return pos;
}
// 析構(gòu)函數(shù)
~vector()
{
if (_start)
{
delete[] _start;
_start = _finish = _end_of_storage = nullptr;
}
}
private:
iterator _start = nullptr;
iterator _finish = nullptr;
iterator _end_of_storage = nullptr;
};
}（二）Test.c
#include "vector.h"
#include <iostream>
using namespace std;
namespace bit
{
// 打印vector內(nèi)容
void Print(const vector<int>& v)
{
for (auto e : v)
{
cout << e << " ";
}
cout << endl;
}
// 測試基本操作
void test_vector1()
{
cout << "測試基本操作:" << endl;
bit::vector<int> v;
v.push_back(1);
v.push_back(2);
v.push_back(3);
v.push_back(4);
v.push_back(5);
v[0]++; // 修改第一個元素
Print(v);
// 范圍for遍歷
for (auto e : v)
{
cout << e << " ";
}
cout << endl;
}
// 測試insert操作
void test_vector2()
{
cout << "\n測試insert操作:" << endl;
bit::vector<int> v;
v.push_back(1);
v.push_back(2);
v.push_back(3);
v.push_back(4);
Print(v);
v.insert(v.begin(), 0); // 頭部插入
Print(v);
// 注意：insert后迭代器可能失效
auto it = v.begin() + 3;
v.insert(it, 30); // 指定位置插入
Print(v);
}
// 測試erase操作
void test_vector3()
{
cout << "\n測試erase操作:" << endl;
bit::vector<int> v;
v.push_back(1);
v.push_back(2);
v.push_back(3);
v.push_back(4);
v.push_back(5);
Print(v);
v.erase(v.begin()); // 刪除第一個元素
Print(v);
auto it = v.begin() + 2;
v.erase(it); // 刪除指定位置元素
Print(v);
}
// 測試刪除特定元素（刪除所有偶數(shù)）
void test_vector4()
{
cout << "\n測試刪除所有偶數(shù):" << endl;
bit::vector<int> v;
v.push_back(1);
v.push_back(2);
v.push_back(2);
v.push_back(3);
v.push_back(4);
v.push_back(5);
v.push_back(6);
cout << "刪除前: ";
for (auto e : v)
{
cout << e << " ";
}
cout << endl;
// 正確刪除方法
auto it = v.begin();
while (it != v.end())
{
if (*it % 2 == 0)
{
it = v.erase(it); // 接收erase返回值
}
else
{
++it;
}
}
cout << "刪除后: ";
for (auto e : v)
{
cout << e << " ";
}
cout << endl;
}
// 測試resize操作
void test_vector5()
{
cout << "\n測試resize操作:" << endl;
bit::vector<int> v;
v.push_back(1);
v.push_back(2);
v.push_back(2);
v.push_back(3);
v.push_back(4);
v.push_back(5);
v.push_back(6);
cout << "原始vector: ";
for (auto e : v)
{
cout << e << " ";
}
cout << endl;
v.resize(3); // 縮小
cout << "resize(3): ";
for (auto e : v)
{
cout << e << " ";
}
cout << endl;
v.resize(20, 5); // 擴(kuò)大并填充
cout << "resize(20, 5): ";
for (auto e : v)
{
cout << e << " ";
}
cout << endl;
}
// 測試拷貝構(gòu)造和賦值
void test_vector6()
{
cout << "\n測試拷貝構(gòu)造和賦值:" << endl;
bit::vector<int> v1;
v1.push_back(1);
v1.push_back(2);
v1.push_back(2);
v1.push_back(3);
v1.push_back(4);
v1.push_back(5);
v1.push_back(6);
cout << "v1: ";
for (auto e : v1)
{
cout << e << " ";
}
cout << endl;
// 拷貝構(gòu)造
bit::vector<int> v2(v1);
cout << "v2(拷貝v1): ";
for (auto e : v2)
{
cout << e << " ";
}
cout << endl;
// 賦值操作
bit::vector<int> v3 = {10, 20, 30, 40};
v1 = v3;
cout << "v1(賦值后): ";
for (auto e : v1)
{
cout << e << " ";
}
cout << endl;
// 指定大小構(gòu)造
bit::vector<int> v4(10, 1);
cout << "v4(10個1): ";
for (auto e : v4)
{
cout << e << " ";
}
cout << endl;
bit::vector<char> v5(10, 'x');
cout << "v5(10個x): ";
for (auto e : v5)
{
cout << e << " ";
}
cout << endl;
}
// 測試string類型vector
void test_vector7()
{
cout << "\n測試string類型vector:" << endl;
bit::vector<string> v1;
v1.push_back("111111111111111111111111");
v1.push_back("222222222222222222222222");
v1.push_back("333333333333333333333333");
v1.push_back("444444444444444444444444");
v1.push_back("555555555555555555555555");
for (auto& e : v1)
{
cout << e << " ";
}
cout << endl;
}
}
int main()
{
bit::test_vector1();
bit::test_vector2();
bit::test_vector3();
bit::test_vector4();
bit::test_vector5();
bit::test_vector6();
bit::test_vector7();
return 0;
}C++ vector基于動態(tài)數(shù)組實(shí)現(xiàn)，通過三個指針管理內(nèi)存。核心風(fēng)險是迭代器失效：insert可能擴(kuò)容使所有迭代器失效；erase使被刪位置后迭代器失效，必須通過it=erase(it)接收返回值。采用2倍擴(kuò)容策略，現(xiàn)代寫法通過swap實(shí)現(xiàn)安全拷貝。連續(xù)存儲支持高效隨機(jī)訪問，但需警惕迭代器失效這一主要陷阱。
總結(jié)
到此這篇關(guān)于C++ vector容器底層深度剖析與模擬實(shí)現(xiàn)的文章就介紹到這了,更多相關(guān)C++ vector容器底層內(nèi)容請搜索腳本之家以前的文章或繼續(xù)瀏覽下面的相關(guān)文章希望大家以后多多支持腳本之家！
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