文章目录
从零实现 C++ Vector前言1. 基本结构与初始化细分1.1 空构造函数的实现与测试实现代码：测试用例：输出： 1.2 带大小和默认值的构造函数实现代码：测试用例：输出： 1.3 拷贝构造函数实现代码：测试用例：输出： 1.4 赋值操作符的实现实现代码：测试用例：输出： 2. 容量管理的实现与测试2.1 `reserve`函数：动态扩容实现代码：测试用例：输出： 2.2 `resize`函数：改变大小实现代码：测试用例：输出： 3. 元素插入与删除3.1 `push_back`函数：向`vector`末尾插入元素3.1.1 需求分析实现思路实现代码：测试用例：输出： 3.2 `pop_back`函数：删除末尾元素3.2.1 需求分析实现思路实现代码：测试用例：输出： 3.3 `insert`函数：在指定位置插入元素3.3.1 需求分析实现思路实现代码：测试用例：输出： 3.4 `erase`函数：删除指定位置的元素3.4.1 需求分析实现思路实现代码：测试用例：输出： 4. `front`和`back`函数4.1 `front`函数：获取第一个元素4.1.1 需求分析实现代码：测试用例：输出： 4.2 `back`函数：获取最后一个元素4.2.1 需求分析实现代码：测试用例：输出： 5.1 `begin` 与 `end` 函数：迭代器的基本操作5.1.1 需求分析实现代码：测试用例：输出： 5.2 `swap` 函数：交换两个 `vector`5.2.1 需求分析实现代码：测试用例：输出： 5.3 赋值运算符重载：深拷贝 `vector`（现代写法）5.3.1 需求分析实现代码：现代写法说明测试用例：输出： 5.4 优点总结 写在最后
从零实现 C++ Vector
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前言
接上篇【C++篇】解密 STL 动态之魂：全面掌握 C++ vector 的高效与优雅
在现代 C++ 编程中，容器类 vector 是不可或缺的数据结构。作为一个动态数组，它提供了高效的随机访问和动态内存管理。为了加深对 vector 的理解，本文将从零开始模拟实现一个 vector，详细解析其核心机制。我们不仅会展示基础的构造、拷贝、扩展和元素插入操作，还将采用现代 C++ 的最佳实践来优化代码，尤其是在异常安全和性能上。
通过从浅入深的分步骤实现与测试，希望让读者能够全面掌握 vector 的核心逻辑与细节。本教程不仅适合初学者，也适合想深入理解 C++ STL 背后实现的开发者。
1. 基本结构与初始化细分
1.1 空构造函数的实现与测试
实现一个空的vector，不分配任何内存。测试是否创建了容量为0的vector。 实现代码：
namespace W { template<class T> class vector { public: typedef T* iterator; vector() : _start(nullptr), _finish(nullptr), _endOfStorage(nullptr) {} size_t size() const { return _finish - _start; } size_t capacity() const { return _endOfStorage - _start; } bool empty() const { return _start == _finish; } private: iterator _start; iterator _finish; iterator _endOfStorage; };}测试用例：
void TestEmptyVector() { W::vector<int> v; assert(v.size() == 0); // 验证大小 assert(v.capacity() == 0); // 验证容量 assert(v.empty()); // 验证是否为空 std::cout << "TestEmptyVector passed" << std::endl;}输出：
TestEmptyVector passed1.2 带大小和默认值的构造函数
初始化一个给定大小的vector，并使用默认值填充。测试构造后大小、容量是否符合要求。 实现代码：
namespace W { template<class T> class vector { public: typedef T* iterator; vector(size_t n, const T& value = T()) { _start = new T[n]; _finish = _start + n; _endOfStorage = _finish; for (size_t i = 0; i < n; ++i) { _start[i] = value; // 填充默认值 } } size_t size() const { return _finish - _start; } size_t capacity() const { return _endOfStorage - _start; } bool empty() const { return _start == _finish; } T& operator[](size_t pos) { return _start[pos]; } ~vector(){if (_start){delete[] _start;_start = _finish = _endOfStorage = nullptr;}} private: iterator _start; iterator _finish; iterator _endOfStorage; };}测试用例：
void TestInitVector() { W::vector<int> v(5, 10); assert(v.size() == 5); // 验证大小 assert(v.capacity() == 5); // 验证容量 assert(!v.empty()); // 验证非空 for (size_t i = 0; i < 5; ++i) { assert(v[i] == 10); // 验证默认值 } std::cout << "TestInitVector passed" << std::endl;}输出：
TestInitVector passed1.3 拷贝构造函数
实现vector的拷贝构造函数。测试拷贝后的vector是否完全复制原来的内容和容量。 实现代码：
namespace W { template<class T> class vector { public: typedef T* iterator; vector(const vector<T>& v) { size_t n = v.size(); _start = new T[n]; _finish = _start + n; _endOfStorage = _finish; for (size_t i = 0; i < n; ++i) { _start[i] = v._start[i]; // 复制数据 } } size_t size() const { return _finish - _start; } size_t capacity() const { return _endOfStorage - _start; } bool empty() const { return _start == _finish; } T& operator[](size_t pos) { return _start[pos]; } ~vector(){if (_start){delete[] _start;_start = _finish = _endOfStorage = nullptr;}} private: iterator _start; iterator _finish; iterator _endOfStorage; };}测试用例：
void TestCopyVector() { W::vector<int> v1(5, 10); W::vector<int> v2(v1); assert(v2.size() == 5); // 验证大小 assert(v2.capacity() == 5); // 验证容量 for (size_t i = 0; i < 5; ++i) { assert(v2[i] == 10); // 验证数据拷贝 } std::cout << "TestCopyVector passed" << std::endl;}输出：
TestCopyVector passed1.4 赋值操作符的实现
实现赋值操作符重载。测试两个vector赋值后，是否正确拷贝了内容和容量。 实现代码：
namespace W { template<class T> class vector { public: typedef T* iterator; vector<T>& operator=(const vector<T>& v) { if (this != &v) { delete[] _start; // 释放旧的空间 size_t n = v.size(); _start = new T[n]; _finish = _start + n; _endOfStorage = _finish; for (size_t i = 0; i < n; ++i) { _start[i] = v._start[i]; // 复制数据 } } return *this; } size_t size() const { return _finish - _start; } size_t capacity() const { return _endOfStorage - _start; } bool empty() const { return _start == _finish; } T& operator[](size_t pos) { return _start[pos]; } ~vector(){if (_start){delete[] _start;_start = _finish = _endOfStorage = nullptr;}} private: iterator _start; iterator _finish; iterator _endOfStorage; };}测试用例：
void TestAssignVector() { W::vector<int> v1(5, 10); W::vector<int> v2 = v1; // 赋值操作 assert(v2.size() == 5); // 验证大小 assert(v2.capacity() == 5); // 验证容量 for (size_t i = 0; i < 5; ++i) { assert(v2[i] == 10); // 验证数据拷贝 } std::cout << "TestAssignVector passed" << std::endl;}输出：
TestAssignVector passed2. 容量管理的实现与测试
2.1 reserve函数：动态扩容
实现reserve函数，测试在容量不足时是否能正确扩展。 实现代码：
namespace W { template<class T> class vector { public: void reserve(size_t n) { if (n > capacity()) { size_t oldSize = size(); T* tmp = new T[n]; for (size_t i = 0; i < oldSize; ++i) { tmp[i] = _start[i]; } delete[] _start; _start = tmp; _finish = _start + oldSize; _endOfStorage = _start + n; } } };}测试用例：
void TestReserveVector() { W::vector<int> v(5, 10); v.reserve(10); // 预留容量 assert(v.capacity() == 10); // 验证容量扩展 for (size_t i = 0; i < 5; ++i) { assert(v[i] == 10); // 验证数据保持不变 } std::cout << "TestReserveVector passed" << std::endl;}输出：
TestReserveVector passed2.2 resize函数：改变大小
实现resize函数，测试增加或减少vector大小。 实现代码：
namespace W { template<class T> class vector { public: void resize(size_t n, const T& value = T()) { if (n < size()) { _finish = _start + n; // 缩小大小 } else { reserve(n); for (iterator it = _finish; it != _start + n; ++it) { *it = value; // 填充新值 } _finish = _start + n; } } };}测试用例：
void TestResizeVector() { W::vector<int> v(5, 10); v.resize(8, 20); // 扩展大小并填充新值 assert(v.size() == 8); // 验证扩展后大小 for (size_t i = 0; i < 5; ++i) { assert(v[i] == 10); // 验证原值不变 } for (size_t i = 5; i < 8; ++i) { assert(v[i] == 20); // 验证新值 } std::cout << "TestResizeVector passed" << std::endl;}输出：
TestResizeVector passed3. 元素插入与删除
3.1 push_back函数：向vector末尾插入元素
3.1.1 需求分析
push_back是vector中最常用的操作之一。需要确保： 当空间不足时，进行自动扩容。插入的元素位于现有元素的末尾。 实现思路
检查容量是否足够，若不足则扩容（通常容量加倍）。将新元素插入到当前末尾。更新_finish指针，指向新的末尾。 实现代码：
namespace W { template<class T> class vector { public: void push_back(const T& x) { // 如果空间不足，扩展容量为当前容量的两倍 if (_finish == _endOfStorage) { size_t newCapacity = capacity() == 0 ? 1 : capacity() * 2; reserve(newCapacity); } // 在末尾插入新元素 *_finish = x; ++_finish; } private: T* _start; T* _finish; T* _endOfStorage; };}测试用例：
void TestPushBackVector() { W::vector<int> v; v.push_back(1); v.push_back(2); v.push_back(3); assert(v.size() == 3); // 验证插入后的大小 assert(v.capacity() >= 3); // 验证容量是否自动扩展 assert(v[0] == 1 && v[1] == 2 && v[2] == 3); // 验证插入的元素是否正确 std::cout << "TestPushBackVector passed" << std::endl;}输出：
TestPushBackVector passed3.2 pop_back函数：删除末尾元素
3.2.1 需求分析
pop_back用于删除vector中的最后一个元素。需要确保： 删除后更新_finish指针。元素已经从逻辑上被移除，但空间不回收。 实现思路
将_finish指针向前移动一位，即删除最后一个元素。不释放空间。 实现代码：
namespace W { template<class T> class vector { public: void pop_back() { assert(_finish != _start); // 确保vector非空 --_finish; // 逻辑删除最后一个元素 } private: T* _start; T* _finish; T* _endOfStorage; };}测试用例：
void TestPopBackVector() { W::vector<int> v; v.push_back(1); v.push_back(2); v.push_back(3); v.pop_back(); assert(v.size() == 2); // 验证删除后的大小 assert(v[0] == 1 && v[1] == 2); // 验证剩余元素是否正确 std::cout << "TestPopBackVector passed" << std::endl;}输出：
TestPopBackVector passed3.3 insert函数：在指定位置插入元素
3.3.1 需求分析
insert用于在vector的任意位置插入元素。需要确保： 插入位置之后的元素向后移动。插入前检查容量是否足够，必要时扩容。 实现思路
检查容量是否足够，不足时扩容。将插入位置及其后的元素整体向后移动。将新元素插入指定位置。更新_finish指针。 实现代码：
namespace W { template<class T> class vector { public: T* insert(T* pos, const T& value) { assert(pos >= _start && pos <= _finish); // 确保pos是有效指针 // 检查空间是否足够 if (_finish == _endOfStorage) { size_t newCapacity = capacity() == 0 ? 1 : capacity() * 2; size_t offset = pos - _start; // 记录插入位置 reserve(newCapacity); // 扩容 pos = _start + offset; // 更新插入位置 } // 将插入位置之后的元素整体向后移动 for (T* it = _finish; it > pos; --it) { *it = *(it - 1); } // 插入新元素 *pos = value; ++_finish; return pos; } private: T* _start; T* _finish; T* _endOfStorage; };}测试用例：
void TestInsertVector() { W::vector<int> v; v.push_back(1); v.push_back(2); v.push_back(4); v.insert(v.begin() + 2, 3); // 在第2个位置插入3 assert(v.size() == 4); // 验证插入后的大小 assert(v[0] == 1 && v[1] == 2 && v[2] == 3 && v[3] == 4); // 验证插入的元素是否正确 std::cout << "TestInsertVector passed" << std::endl;}输出：
TestInsertVector passed3.4 erase函数：删除指定位置的元素
3.4.1 需求分析
erase用于删除vector中的某个位置的元素。需要确保： 删除后，删除位置之后的元素向前移动。删除后更新_finish指针。 实现思路
将erase位置之后的元素向前移动一位。更新_finish指针。 实现代码：
namespace W { template<class T> class vector { public: T* erase(T* pos) { assert(pos >= _start && pos < _finish); // 确保pos是有效指针 // 将pos之后的元素向前移动 for (T* it = pos; it < _finish - 1; ++it) { *it = *(it + 1); } --_finish; // 更新_finish指针 return pos; } private: T* _start; T* _finish; T* _endOfStorage; };}测试用例：
void TestEraseVector() { W::vector<int> v; v.push_back(1); v.push_back(2); v.push_back(3); v.push_back(4); v.erase(v.begin() + 2); // 删除第2个元素 assert(v.size() == 3); // 验证删除后的大小 assert(v[0] == 1 && v[1] == 2 && v[2] == 4); // 验证删除后的元素顺序 std::cout << "TestEraseVector passed" << std::endl;}输出：
TestEraseVector passed4. front和back函数
4.1 front函数：获取第一个元素
4.1.1 需求分析
front函数返回vector的第一个元素。需要确保： 当vector非空时，返回正确的第一个元素。 实现代码：
namespace W { template<class T> class vector { public: T& front() { assert(!empty()); // 确保vector非空 return *_start; // 返回第一个元素 } private: T* _start; T* _finish; T* _endOfStorage; };}测试用例：
void TestFrontVector() { W::vector<int> v; v.push_back(10); assert(v.front() == 10); // 验证front v.push_back(20); assert(v.front() == 10); // 验证front不变 std::cout << "TestFrontVector passed" << std::endl;}输出：
TestFrontVector passed4.2 back函数：获取最后一个元素
4.2.1 需求分析
back函数返回vector的最后一个元素。需要确保： 当vector非空时，返回正确的最后一个元素。 实现代码：
namespace W { template<class T> class vector { public: T& back() { assert(!empty()); // 确保vector非空 return *(_finish - 1); // 返回最后一个元素 } private: T* _start; T* _finish; T* _endOfStorage; };}测试用例：
void TestBackVector() { W::vector<int> v; v.push_back(10); assert(v.back() == 10); // 验证back v.push_back(20); assert(v.back() == 20); // 验证back变化 std::cout << "TestBackVector passed" << std::endl;}输出：
TestBackVector passed5.1 begin 与 end 函数：迭代器的基本操作
5.1.1 需求分析
begin 函数返回指向 vector 起始位置的迭代器（即指向第一个元素）。end 函数返回指向 vector 末尾的迭代器（即指向最后一个元素的下一个位置）。两者结合可以用于遍历 vector 中的元素。 实现代码：
namespace W { template<class T> class vector { public: typedef T* iterator; // 使用原生指针作为迭代器 iterator begin() { return _start; } iterator end() { return _finish; } private: T* _start; T* _finish; T* _endOfStorage; };}测试用例：
void TestIteratorVector() { W::vector<int> v; v.push_back(10); v.push_back(20); v.push_back(30); // 使用迭代器遍历 vector for (W::vector<int>::iterator it = v.begin(); it != v.end(); ++it) { std::cout << *it << " "; } std::cout << std::endl; std::cout << "TestIteratorVector passed" << std::endl;}输出：
10 20 30 TestIteratorVector passed5.2 swap 函数：交换两个 vector
5.2.1 需求分析
swap 函数用于交换两个 vector 的内容，包括它们的起始指针、结束指针和容量指针。swap 函数是常用的优化操作，特别是在实现移动语义时能大大提高效率。 实现代码：
namespace W { template<class T> class vector { public: void swap(vector<T>& v) { std::swap(_start, v._start); std::swap(_finish, v._finish); std::swap(_endOfStorage, v._endOfStorage); } private: T* _start; T* _finish; T* _endOfStorage; };}测试用例：
void TestSwapVector() { W::vector<int> v1; W::vector<int> v2; v1.push_back(1); v1.push_back(2); v2.push_back(3); v2.push_back(4); v1.swap(v2); // 验证 v1 和 v2 交换后内容是否正确 for (auto e : v1) { std::cout << e << " "; } std::cout << std::endl; for (auto e : v2) { std::cout << e << " "; } std::cout << std::endl; std::cout << "TestSwapVector passed" << std::endl;}输出：
3 4 1 2 TestSwapVector passed5.3 赋值运算符重载：深拷贝 vector（现代写法）
5.3.1 需求分析
拷贝构造函数的任务是创建一个全新的vector，并确保与原 vector 独立，使用深拷贝拷贝元素。赋值运算符重载代码大致也是相同的，那有没有办法简化呢？为了使用现代 C++ 的最佳实践，我们可以采用 拷贝并交换（Copy and Swap） 技术，这种技术可以减少重复代码并提高异常安全性。使用 传值（pass-by-value）参数，配合 swap 函数，使代码简洁高效，且异常安全。 实现代码：
namespace W { template<class T> class vector { public: //这里可以服用reserve和push_back函数了 vector(const vector<T>& v) : _start(nullptr), _finish(nullptr), _endOfStorage(nullptr) { reserve(v.size()); // 分配所需空间 for (const T& elem : v) { push_back(elem); // 拷贝每个元素 } } // 赋值操作符，使用拷贝并交换技术 vector<T>& operator=(vector<T> v) { swap(v); // 调用 swap 函数交换内容 return *this; } // swap 函数 void swap(vector<T>& v) { std::swap(_start, v._start); std::swap(_finish, v._finish); std::swap(_endOfStorage, v._endOfStorage); } // 其他成员函数同之前实现... private: T* _start; T* _finish; T* _endOfStorage; };}现代写法说明
传值参数：通过传递vector<T> 的值作为参数，创建一个临时对象 v。调用拷贝构造函数时自动执行拷贝，然后在赋值操作中与现有对象交换内容。传值是安全的，避免了手动内存管理问题。swap：通过交换数据成员 _start、_finish 和 _endOfStorage，避免手动内存释放，简化代码逻辑。交换后的临时对象 v 离开作用域时自动销毁，保证资源释放。 测试用例：
void TestCopyAndAssignVector() { // 测试拷贝构造函数 W::vector<int> v1; v1.push_back(1); v1.push_back(2); v1.push_back(3); W::vector<int> v2(v1); // 使用拷贝构造函数 for (size_t i = 0; i < v2.size(); ++i) { assert(v2[i] == v1[i]); // 验证每个元素是否相同 } // 测试赋值操作符 W::vector<int> v3; v3 = v1; // 使用赋值操作符 for (size_t i = 0; i < v3.size(); ++i) { assert(v3[i] == v1[i]); // 验证每个元素是否相同 } std::cout << "TestCopyAndAssignVector passed" << std::endl;}输出：
TestCopyAndAssignVector passed5.4 优点总结
简化代码：通过传值和swap，避免了重复的深拷贝代码。异常安全性：无论是在构造过程中出现异常，还是在赋值操作中，资源都可以安全地释放，避免内存泄漏。效率：现代 C++ 的传值优化会确保性能不会显著下降，并且在支持移动语义的场景下，效率非常高。 写在最后
至此，我们完成了 vector 的从零实现，并深入分析了其中的每个细节，包括动态内存管理、迭代器操作、容量管理、拷贝构造与赋值重载等。通过这次实现，我们可以更清晰地理解标准库中的 vector 是如何通过高效的内存分配、深拷贝与异常安全机制来确保性能和安全的。
在实际开发中，理解这些细节不仅能够帮助我们更好地使用 vector，也为日后设计自己的容器类打下了坚实的基础。希望通过这个过程，读者能够更深刻地感受到 C++ 的强大与精妙。
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