【C++】Vector核心实现：类设计到迭代器陷阱

vector 模拟实现代码的核心

下面从类设计、核心接口、内存安全、常见陷阱、测试场景5 个维度，提炼需重点掌握的知识点，覆盖面试高频考点与实践易错点：

一、类结构与成员变量（基础框架）

vector 的核心是通过三个迭代器（指针） 管理动态内存，这是理解所有接口的前提：

  • _start：指向动态数组的起始位置（首元素）

  • _finish：指向动态数组中已使用元素的下一个位置（size = _finish - _start）

  • _end_of_storage：指向动态数组的末尾位置（capacity = _end_of_storage - _start）

  • 成员变量用C++11 类内初始值（= nullptr）初始化，因此默认构造可空实现（vector() {}），简化代码。

二、构造函数设计（重载与模板陷阱）

构造函数是 vector 的 “入口”，需重点关注重载匹配问题与通用性：

  1. 避免模板构造函数的匹配陷阱

代码中提供了两个n, val构造的重载：

vector(size_t n, const T& val = T()); // 1. size_t版本
vector(int n, const T& val = T());    // 2. int版本
为什么需要int版本？（没懂）

若只写size_t n版本，当用户传入int类型的n（如vector<int> v(10, 5)，10 是int），编译器会优先匹配模板迭代器构造（vector(InputIterator first, InputIterator last)）—— 因为int可被推导为InputIterator类型，导致将10和5当作 “迭代器范围”，而int不是迭代器，直接编译报错。

注：

  • 在 C++ 中，像 10、5 这样的整数字面量，默认类型是 int（有符号整型），而不是 size_t（无符号整型，通常是 unsigned int 或 unsigned long long，取决于平台）。

  • 只有显式写 10u（加 u 表示无符号）或 size_t(10)，才会被视为 size_t 类型。

  • 若只有 size_t 版本，编译器会优先选择模板迭代器构造函数（精确匹配），但 int 不是迭代器，导致报错；

  • 加个 int 版本后，它会作为 “非模板的精确匹配” 优先被选中，确保调用的是 “n 个 val 初始化” 的正确逻辑。

结论：必须重载int n版本，避免模板构造函数 “抢错” 匹配。

  1. 模板迭代器构造（通用性关键）

template <class InputIterator>
vector(InputIterator first, InputIterator last);

  • 作用：支持从任意 “迭代器范围”（[first, last)）初始化，如string的迭代器、原生数组指针、其他容器的迭代器。

  • 示例：

std::string s1("hello");
vector<int> v3(s1.begin(), s1.end()); // char转int，存储ASCII值
int a[] = {100,10,2};
vector<int> v4(a, a+3); // 原生数组指针作迭代器

  • 注意：迭代器类型需支持*解引用和++自增（符合 InputIterator 概念）。

  1. 拷贝构造（深拷贝的正确实现）

代码中拷贝构造的核心是避免浅拷贝：

vector(const vector<T>& v) {_start = new T[v.capacity()]; // 开和原对象capacity相同的空间// 循环赋值（深拷贝），而非memcpy（浅拷贝）for (size_t i = 0; i < v.size(); ++i) {_start[i] = v._start[i]; }_finish = _start + v.size();_end_of_storage = _start + v.capacity();
}
关键对比：为什么不用memcpy？

  • memcpy是字节级拷贝（浅拷贝），仅适用于 POD 类型（如int、double）；

  • 若T是复杂类型（如string、自定义类），memcpy会导致两个对象的成员指针指向同一块内存，析构时重复释放（崩溃）；

  • 循环赋值会调用T的赋值运算符（如string::operator=），完成深拷贝（为新string开辟独立内存）。

结论：动态数组存储非 POD 类型时，必须用循环赋值实现深拷贝。

三、核心接口实现（易错点与设计思路）

vector 的核心接口（reserve/resize/insert/erase）是面试高频考点，需关注功能差异、迭代器失效、扩容策略。

  1. reserve vs resize（最易混淆的接口）

两者均可能扩容，但核心作用完全不同：

接口作用对 size 的影响对 capacity 的影响元素初始化
reserve(n)仅保证 capacity≥n不改变若 n > 当前 capacity 则扩容，否则不做不初始化新元素
resize(n, val)保证 size=n改变（n<size 截断，n>size 补元素）若 n > 当前 capacity 则扩容，否则不做n>size 时，新增元素用val初始化（默认T()）

示例：

v1.resize(10); // size从5→10，新增5个元素（int()=0），capacity若不足则扩容
v1.resize(3);  // size从10→3，仅移动_finish（_start+3），不释放内存

  1. insert（迭代器失效的典型场景）

insert(pos, val)的核心是解决扩容导致的 pos 失效：

iterator insert(iterator pos, const T& val) {if (_finish == _end_of_storage) {size_t len = pos - _start; // 记录pos到起始的距离（关键）reserve(/*扩容*/);pos = _start + len; // 扩容后更新pos（旧pos指向已释放内存）}// 元素后移（从后往前）iterator end = _finish - 1;while (end >= pos) {*(end + 1) = *end;--end;}*pos = val;++_finish;return pos; // 返回更新后的pos，方便用户后续使用
}
关键注意点：

  • 扩容后必须重新计算 pos：因为扩容会分配新内存，旧pos指向的旧内存已被释放（野指针）；

  • 返回新pos：避免用户使用失效的迭代器（如 test_vector3 中pos = v1.insert(pos, 30)后，可安全修改*pos）。

  1. erase（循环删除的正确写法）

erase(pos)的核心是迭代器失效范围（仅pos之后的迭代器失效，pos本身被返回的新迭代器替代）：

iterator erase(iterator pos) {// 元素前移（从pos+1开始）iterator start = pos + 1;while (start != _finish) {*(start - 1) = *start;++start;}--_finish;return pos; // 返回指向“原pos下一个元素”的迭代器
}
典型场景：循环删除满足条件的元素

错误写法（会导致迭代器失效，漏删或越界）：'

for (auto it = v1.begin(); it != v1.end(); ++it) {if (*it % 2 == 0) {v1.erase(it); // erase后it失效，++it操作非法}
}

正确写法（用 erase 的返回值更新迭代器）：

auto it = v1.begin();
while (it != v1.end()) {if (*it % 2 == 0) {it = v1.erase(it); // 用返回值更新it，指向删除后的下一个元素} else {++it; // 不删除则正常后移}
}

  1. push_back（扩容策略)

void push_back(const T& x) {if (_finish == _end_of_storage) {// 扩容策略：初始capacity=0→4，否则扩为2倍reserve(capacity() == 0 ? 4 : capacity() * 2);}*_finish = x;++_finish;
}
扩容策略的意义：

  • 避免每次push_back都扩容（减少内存分配次数，提高效率）；

  • 2 倍扩容是平衡 “内存利用率” 和 “分配次数” 的经典方案（1.5 倍扩容更优，但 2 倍实现简单）。

四、const 正确性（规范设计）

代码严格遵循 “const 对象只能调用 const 接口”，这是 C++ 的规范设计，需关注：

  1. const 迭代器：提供const_iterator begin() const和const_iterator end() const，支持 const 对象遍历（如func(const vector<int>& v)中使用v.begin()）；

  2. const 版本 operator []：

const T& operator[](size_t pos) const {assert(pos < size());return _start[pos];
}

  1. 确保 const 对象只能读取元素，不能修改（如func中v[i]无法赋值）。

五、测试用例中的典型场景（实践巩固）

代码中的测试用例覆盖了 vector 的核心使用场景，复习时需结合案例理解：

  1. test_vector5（循环删除）：掌握erase后迭代器更新的正确写法；

  2. test_vector7（嵌套 vector）：vector<vector<int>>实现杨辉三角，理解二维动态数组的管理（外层 vector 存储内层 vector，内层 vector 各自管理自己的内存）；

  3. test_vector7（复杂类型拷贝）：vector<string> v4(v3)验证深拷贝正确性（若用memcpy，v3和v4的string会共享内存，析构崩溃）；

  4. test_vector6（sort 排序）：sort(v1.begin(), v1.end())说明 vector 的迭代器是随机访问迭代器（支持sort的要求），而 list 的迭代器不支持。

六、总结

  1. 三个迭代器的作用与size()/capacity()的计算方式；

  2. 拷贝构造为什么不能用memcpy（深拷贝 vs 浅拷贝）；

  3. reserve与resize的功能差异（是否改变 size、是否初始化元素）；

  4. insert和erase的迭代器失效问题（如何避免、返回值的作用）；

  5. 循环删除元素的正确写法（结合erase的返回值）；

  6. 模板构造函数的匹配陷阱（为什么需要int n的重载）。

#pragma once
#include<assert.h>namespace bit
{template<class T>class vector{public:typedef T* iterator;typedef const T* const_iterator;//vector()//        :_start(nullptr)//        , _finish(nullptr)//        , _end_of_storage(nullptr)//{}//vector(size_t n, const T& val = T())//        : _start(nullptr)//        , _finish(nullptr)//        , _end_of_storage(nullptr)//{//        reserve(n);//        for (size_t i = 0; i < n; ++i)//        {//                push_back(val);//        }//}//// [first, last)//template <class InputIterator>//vector(InputIterator first, InputIterator last)//        : _start(nullptr)//        , _finish(nullptr)//        , _end_of_storage(nullptr)//{//        while (first != last)//        {//                push_back(*first);//                ++first;//        }//}vector(){}//vector<int> v(10, 5);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);}}/*vector(const vector<T>& v){reserve(v.capacity());for (auto e : v){push_back(e);}}*/vector(const vector<T>& v){_start = new T[v.capacity()];//memcpy(_start, v._start, sizeof(T)*v.size());for (size_t i = 0; i < v.size(); ++i){_start[i] = v._start[i];}_finish = _start + v.size();_end_of_storage = _start + v.capacity();}// [first, last)template <class InputIterator>vector(InputIterator first, InputIterator last){while (first != last){push_back(*first);++first;}}~vector(){delete[] _start;_start = _finish = _end_of_storage = nullptr;}iterator begin(){return _start;}iterator end(){return _finish;}const_iterator begin() const{return _start;}const_iterator end() const{return _finish;}void resize(size_t n, T val = T()){if (n < size()){// 删除数据_finish = _start + n;}else{if (n > capacity())reserve(n);while (_finish != _start+n){*_finish = val;++_finish;}}}void reserve(size_t n){if (n > capacity()){size_t sz = size();T* tmp = new T[n];if (_start){//memcpy(tmp, _start, sizeof(T)*size());//深拷贝for (size_t i = 0; i < sz; ++i){tmp[i] = _start[i];}delete[] _start;}_start = tmp;_finish = _start + sz;_end_of_storage = _start + n;}}void push_back(const T& x){if (_finish == _end_of_storage){reserve(capacity() == 0 ? 4 : capacity()*2);}*_finish = x;++_finish;}void pop_back(){assert(!empty());--_finish;}iterator insert(iterator pos, const T& val){assert(pos >= _start);assert(pos <= _finish);if (_finish == _end_of_storage){size_t len = pos - _start;reserve(capacity() == 0 ? 4 : capacity() * 2);// 扩容后更新pos，解决pos失效的问题pos = _start + len;}iterator end = _finish-1;while (end >= pos){*(end + 1) = *end;--end;}*pos = val;++_finish;return pos;}iterator erase(iterator pos){assert(pos >= _start);assert(pos < _finish);iterator start = pos + 1;while (start != _finish){*(start - 1) = *start;++start;}--_finish;return pos;}size_t capacity() const{return _end_of_storage - _start;}size_t size() const{return _finish - _start;}bool empty(){return _start == _finish;}T& operator[](size_t pos){assert(pos < size());return _start[pos];}const T& operator[](size_t pos) const{assert(pos < size());return _start[pos];}private:iterator _start = nullptr;iterator _finish = nullptr;iterator _end_of_storage = nullptr;};void func(const vector<int>& v){for (size_t i = 0; i < v.size(); ++i){cout << v[i] << " ";}cout << endl;vector<int>::const_iterator it = v.begin();while (it != v.end()){cout << *it << " ";++it;}cout << endl << endl;}void test_vector1(){vector<int> v1;v1.push_back(1);v1.push_back(2);v1.push_back(3);v1.push_back(4);v1.push_back(5);func(v1);for (size_t i = 0; i < v1.size(); ++i){cout << v1[i] << " ";}cout << endl;v1.pop_back();v1.pop_back();vector<int>::iterator it = v1.begin();while (it != v1.end()){cout << *it << " ";++it;}cout << endl;v1.pop_back();v1.pop_back();v1.pop_back();//v1.pop_back();for (auto e : v1){cout << e << " ";}cout << endl;//func(v1);}//template<class T>//void f()//{//        T x = T();//        cout << x << endl;//}//void test_vector2()//{//        // 内置类型有没有构造函数///*        int i = int();//        int j = int(1);*///        f<int>();//        f<int*>();//        f<double>();//}void test_vector2(){vector<int> v1;v1.push_back(1);v1.push_back(2);v1.push_back(3);v1.push_back(4);v1.push_back(5);cout << v1.size() << endl;cout << v1.capacity() << endl;v1.resize(10);cout << v1.size() << endl;cout << v1.capacity() << endl;func(v1);v1.resize(3);func(v1);}void test_vector3(){std::vector<int> v1;v1.push_back(1);v1.push_back(2);v1.push_back(3);v1.push_back(4);//v1.push_back(5);for (auto e : v1){cout << e << " ";}cout << endl;/*v1.insert(v1.begin(), 0);for (auto e : v1){cout << e << " ";}cout << endl;*/auto pos = find(v1.begin(), v1.end(), 3);if (pos != v1.end()){//v1.insert(pos, 30);pos = v1.insert(pos, 30);}for (auto e : v1){cout << e << " ";}cout << endl;// insert以后我们认为pos失效了，不能再使用(*pos)++;for (auto e : v1){cout << e << " ";}cout << endl;}void test_vector4(){std::vector<int> v1;v1.push_back(1);v1.push_back(2);v1.push_back(3);v1.push_back(4);for (auto e : v1){cout << e << " ";}cout << endl;//auto pos = find(v1.begin(), v1.end(), 2);auto pos = find(v1.begin(), v1.end(), 4);if (pos != v1.end()){v1.erase(pos);}(*pos)++;for (auto e : v1){cout << e << " ";}cout << endl;}void test_vector5(){bit::vector<int> v1;v1.push_back(10);v1.push_back(2);v1.push_back(3);v1.push_back(4);v1.push_back(5);v1.push_back(50);bit::vector<int>::iterator it = v1.begin();while (it != v1.end()){if (*it % 2 == 0){it = v1.erase(it);}else{++it;}}for (auto e : v1){cout << e << " ";}cout << endl;for (auto e : v1){cout << e << " ";}cout << endl;}void test_vector6(){//vector<int> v(10u, 5);vector<int> v1(10, 5);for (auto e : v1){cout << e << " ";}cout << endl;vector<int> v2(v1.begin()+1, v1.end()-1);for (auto e : v2){cout << e << " ";}cout << endl;std::string s1("hello");vector<int> v3(s1.begin(), s1.end());for (auto e : v3){cout << e << " ";}cout << endl;int a[] = { 100, 10, 2, 20, 30 };vector<int> v4(a, a+3);for (auto e : v4){cout << e << " ";}cout << endl;v1.insert(v1.begin(), 10);for (auto e : v1){cout << e << " ";}cout << endl;sort(v1.begin(), v1.end());for (auto e : v1){cout << e << " ";}cout << endl;for (auto e : a){cout << e << " ";}cout << endl;//sort(a, a+sizeof(a)/sizeof(int));/*        greater<int> g;sort(a, a + sizeof(a) / sizeof(int), g);*/sort(a, a + sizeof(a) / sizeof(int), greater<int>());for (auto e : a){cout << e << " ";}cout << endl;}class Solution {public:vector<vector<int>> generate(int numRows) {vector<vector<int>> vv;vv.resize(numRows, vector<int>());for (size_t i = 0; i < vv.size(); ++i){vv[i].resize(i + 1, 0);vv[i][0] = vv[i][vv[i].size() - 1] = 1;}for (size_t i = 0; i < vv.size(); ++i){for (size_t j = 0; j < vv[i].size(); ++j){if (vv[i][j] == 0){vv[i][j] = vv[i - 1][j] + vv[i - 1][j - 1];}}}return vv;}};void test_vector7(){vector<int> v1(10, 5);for (auto e : v1){cout << e << " ";}cout << endl;vector<int> v2(v1);for (auto e : v2){cout << e << " ";}cout << endl;vector<std::string> v3(3, "111111111111111111111");for (auto e : v3){cout << e << " ";}cout << endl;vector<std::string> v4(v3);for (auto e : v4){cout << e << " ";}cout << endl;v4.push_back("2222222222222222222");v4.push_back("2222222222222222222");v4.push_back("2222222222222222222");for (auto e : v4){cout << e << " ";}cout << endl;vector<vector<int>> ret = Solution().generate(5);for (size_t i = 0; i < ret.size(); ++i){for (size_t j = 0; j < ret[i].size(); ++j){cout << ret[i][j] << " ";}cout << endl;}cout << endl;}
}

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文章目录考纲术语向量组的线性表示与线性相关判别线性相关性的七大定理极大线性无关组、等价向量组、向量组的秩等价矩阵和等价向量组向量空间基本概念基变换、坐标变换 考纲术语 n维向量n维行向量n维列向量分量向量相等向量的加法向量的数乘向量的内积正交向量的模单位向量标准…
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