【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 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  
 
 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 = _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 = _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 = _start);
			iterator it = pos + 1;
			while (it  
  
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 il)
		{
			reserve(il.size());
			for (auto& ch : il)
			{
				push_back(ch);
			}
		}