【C++指南】STL容器的安全革命：如何封装Vector杜绝越界访问与迭代器失效？

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了解vector常用接口

vector是C++标准模板库中的部分内容，中文偶尔译作“容器”，但并不准确。它是一个多功能的，能够操作多种数据结构和算法的模板类和函数库。vector之所以被认为是一个容器，是因为它能够像容器一样存放各种类型的对象，简单地说，vector是一个能够存放任意类型的动态数组，能够增加和压缩数据。

常见构造

迭代器 

容量操作 

修改操作

vector实现

底层结构

在C语言实现当中，vector实现中并没有迭代器的支持，因此底层结构设计并不复杂。

typedef struct SeqList
{
SLDataType* arr;
int size;//有效数据个数
int capacity;//空间大小
}SL;

为了提供迭代器的支持，可以像指针一样遍历数组，因此对vector的底层封装采用如下。

template<class T>

class vector
{
public:
typedef T* iterator;
typedef const T* const_iterator;
//…

private:
//给缺省值
iterator _start = nullptr;
iterator _finish = nullptr;
iterator _end_of_storage = nullptr;
};

迭代器

iterator begin()
{
return _start;
}

iterator end()
{
return _finish;
}

const_iterator begin() const
{
return _start;
}

const_iterator end() const
{
return _finish;
}

memcpy拷贝问题

void reserve(size_t n)
{
if (n > capacity())
{
size_t oldsize = size();
T* tmp = new T[n];
memcpy(tmp, _start, sizeof(T) * oldsize);
delete[] _start;

_start = tmp;
_finish = _start + oldsize;
_end_of_storage = _start + n;
}
}

实际上，上面这段程序在内置类型是不会出问题的，但是针对一些场景（如自定义类型）会报错，如下图所示。

如果vector中存的是自定义类型

问题1：会导致多次析构；

问题2：一个数据的修改会影响另一个 。

问题3：memcpy则只能拷贝每个string,但还是同样指向同一个串。

为了防止浅拷贝问题，如下程序是针对自定义类型的优化。

void reserve(size_t n)
{
if (n > capacity())
{
size_t oldsize = size();
T* tmp = new T[n];
//memcpy(tmp, _start, sizeof(T) * oldsize); //err只能针对内置类型

for (size_t i = 0;i < oldsize;++i)
{
tmp[i] = _start[i];
//内置类型不会有问题
//自定义类型调用其=运算符重载函数走深拷贝,防止memcpy出现的问题
}
delete[] _start;

_start = tmp;
_finish = _start + oldsize;
_end_of_storage = _start + n;
}
}

结论：如果对象中涉及到资源管理时，千万不能使用memcpy进行对象之间的拷贝，因为

memcpy是浅拷贝，否则可能会引起内存泄漏甚至程序崩溃。

迭代器失效问题

迭代器的主要作用就是让算法能够不用关心底层数据结构，其底层实际就是一个指针，或者是对

指针进行了封装
，比如：
vector
的迭代器就是原生态指针
T*
。因此
迭代器失效，实际就是迭代器

底层对应指针所指向的空间被销毁了，而使用一块已经被释放的空间
，造成的后果是程序崩溃
(
即

如果继续使用已经失效的迭代器，程序可能会崩溃
)
。

对于
vector
可能会导致其迭代器失效的操作有：

1.
会引起其底层空间改变的操作，都有可能是迭代器失效
，比如：
resize
、
reserve
、
insert
、

assign
、
push_back
等。

void insert(iterator pos, const T& x)
{
assert(pos < _finish);
assert(pos >= _start);

if (size() == capacity())
{
reserve(capacity() == 0 ? 4 : 2 * capacity());
}

iterator it = _finish – 1;
while (it >= pos)
{
*(it + 1) = *it;
–it;
}

*pos = x;
++_finish;
}

 在上面这段程序中，由于容量满了需要进行扩容，开辟一段新空间，将旧空间的元素拷贝到新空间上来，并更新_start，_finish，_end_of_storage。但如果迭代器it指向旧空间上的开始位置，此时进行*it会导致野指针解引用问题，这也就是所谓地迭代器失效了。

那该如何解决呢？更新迭代器指向的位置。

void insert(iterator pos, const T& x)
{
assert(pos < _finish);
assert(pos >= _start);

//防止迭代器失效
if (size() == capacity())
{
size_t len = pos – _start;
reserve(capacity() == 0 ? 4 : 2 * capacity());
pos = _start + len;
}

//…
}

更新了迭代器位置后，解引用还是会报错，这是为什么呢？这里看似解决了问题，但是别忘了形参的改变并不能影响实参，即实参中的迭代器依然指向旧空间的位置，依旧会使迭代器失效。那我让形参的改变影响实参可行吗，即加上引用呢？

void insert(iterator& pos, const T& x)

而我们设计初心是想要pos可以随意访问数组中的元素，当想访问数组中的第三个元素时

v.insert(v.begin()+3,3);

 由于是左值引用右值，需要是const左值引用才能引用右值，那么再进行更改。

void insert(const iterator& pos, const T& x)

这里会发现由于const的修饰，会导致insert函数内部是无法修改迭代器pos位置的，因此这种方案也是不可取的。

总之，insert以后，默认迭代器都失效了（尽管在insert函数里修复了迭代器指向位置，但由于形参并不会实参）。

2.
指定位置元素的删除操作 –> 
erase

void erase(iterator pos)
{
assert(pos < _finish);
assert(pos >= _start);

iterator it = pos + 1;
while (it < _finish)
{
*(it – 1) = *it;
++it;
}
–_finish;
}

这里的删除依然存在着一个隐秘的问题 –>那它又是如何导致的呢？

auto it = v1.begin();
while (it != v1.end())
{
if (*it % 2 == 0)
{
v1.erase(it);
}

++it;
}

erase
删除
pos
位置元素后，
pos
位置之后的元素会往前搬移，没有导致底层空间的改变，
理

论上讲迭代器不应该会失效
，但是：如果
pos
刚好是最后一个元素，
删完之后pos刚好是end

的位置，而end位置是没有元素的，那么pos就失效了（即it和_finish刚好错过了，循环判断依然成立，此时继续执行会出现错误）。

按照上面的说法，那么改下判断条件不就能使it等于_finish了吗？（如下代码所示）但运行之后依然会报错，这是因为
删除
vector中任意位置上元素时，vs就认为该位置迭代器失效了，即在
vs下检查严格
。（Linux
下，
g++
编译器对迭代器失效的检测并不是非常严格，处理也没有
vs
下极端）

auto it = v1.begin();
while (it != v1.end())
{
if (*it % 2 == 0)
{
v1.erase(it);
}
else
{
++it;
}
}

因此，使用erase接口时并不能依赖于编译器，应注意需要手动更新迭代器防止迭代器失效问题。

在stl库中也是这么解决的。

迭代器失效解决办法：在使用前，对迭代器重新赋值即可
。

auto it = v1.begin();
while (it != v1.end())
{
if (*it % 2 == 0)
{
it = v1.erase(it);
}
else
{
++it;
}
}

3. 与vector类似，string在插入+扩容操作+erase之后，迭代器也会失效 

总的来说：vector特别需要注意的是在使用insert和erase接口应注意迭代器失效问题，这样才能让我们在使用stl库接口时应对自如。

initializer_list实现

void push_back(const T& x)
{
if (size() == capacity())
{
reserve(capacity() == 0 ? 4 : 2 * capacity());
}
*_finish = x;
_finish++;
}

vector(initializer_list<T> il)
{
reserve(il.size());
for (auto& ch : il)
{
push_back(ch);
}
}