【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？

🌟 各位看官好，我是egoist2023！

🌍 种一棵树最好是十年前，其次是现在！

🚀 使用STL的三个境界：能用，明理，能扩展

👍 如果觉得这篇文章有帮助，欢迎您一键三连，分享给更多人哦！

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); } }