C++ vector 模拟实现（二）：insert/erase/resize 完整实现与迭代器失效深度剖析

C++ vector 模拟实现（二）：insert/erase/resize 完整实现与迭代器失效深度剖析

摘要

上一篇我们搭好了 vector 的骨架（三指针、构造、析构、reserve、push_back）。本篇补齐增删查改的最后一块拼图：insert、erase、resize、pop_back、swap 和赋值重载。重点讲透三件事：insert 的扩容与元素搬移逻辑、erase 的返回值设计、迭代器失效的三种场景与底层原因。文末附完整可运行代码、与 std::vector 的行为对比测试，以及 6 个高频 FAQ。

本文是「C++ STL 源码剖析与模拟实现」专栏第 3 篇。建议先阅读前两篇，代码有延续性。

阅读路线图：

骨架篇（已学） 本篇（核心） 进阶篇（后续）
───────────── ───────────── ─────────────
三指针设计 insert / erase allocator
构造 / 析构 resize / pop_back 拷贝构造现代写法
reserve / push_back 迭代器失效深度剖析 扩容倍数对比

一、本篇实现的接口总览

先给结论，后文逐一展开原理和实现。

二、pop_back：最简单的尾删

void pop_back() {
assert(_finish > _start); // 防御：空 vector 不能删
—_finish;
_finish->~T(); // 析构被删元素（自定义类型必须）
}

两个细节：

💡 调试技巧：在 pop_back 中加 assert 是防御性编程的好习惯。标准库的 pop_back 对空 vector 是未定义行为，但很多实现会在 Debug 模式下断言。

三、insert：vector 最复杂的接口

insert 是 vector 里最容易写错的接口，因为它要同时处理三种情况：

3.1 完整实现

iterator insert(iterator pos, const T& x) {
assert(pos >= _start && pos <= _finish); // pos 必须合法

// 情况一：需要扩容
if (_finish == _end_of_storage) {
// ⚠️ 关键：记录 pos 相对于 _start 的偏移量
size_t offset = pos – _start;
size_t newCapacity = capacity() == 0 ? 4 : capacity() * 2;
reserve(newCapacity);
// 扩容后 _start 变了，必须用 offset 重新计算 pos
pos = _start + offset;
}

// 情况二：从后往前搬移元素，给 pos 腾位置
iterator end = _finish;
while (end > pos) {
*end = *(end – 1);
—end;
}

// 情况三：在 pos 位置写入新元素
*pos = x;
++_finish;

return pos; // 返回新插入元素的位置
}

3.2 为什么必须记录 offset？

这是 insert 最经典的坑，我们用一个具体的例子说明：

vector<int> v = {1, 2, 3};
auto it = v.begin() + 1; // it 指向元素 2
v.insert(it, 99);
cout << *it; // ❌ 危险！it 可能已失效

问题所在：reserve 会申请新内存并释放旧内存。假设旧内存地址是 0x1000，it = 0x1004；扩容后新内存地址是 0x2000，但 it 仍然指向 0x1004——这是已被释放的内存，访问就是野指针。

解决方案：扩容前记录 offset = pos – _start（相对偏移），扩容后用 _start + offset 重新算出正确的 pos。这就是为什么代码里要写 size_t offset = pos – _start;。

⚠️ 注意：即使我们重新计算了函数内部的 pos，调用者传入的迭代器 it 依然是失效的。这是 vector 的固有缺陷，C++ 标准规定：insert 后所有指向该位置的迭代器都失效，必须使用返回值重新获取。

3.3 元素搬移图解

以 v = {1, 2, 3, 4, 5}，在索引 2 处插入 99 为例：

插入前： [1] [2] [3] [4] [5] [ ] [ ] [ ]
↑ pos

第一步：从后往前搬移（_finish 到 pos 之间的元素全部右移一格）
[1] [2] [3] [3] [4] [5] [ ] [ ]
↑ pos

第二步：写入新元素
[1] [2] [99] [3] [4] [5] [ ] [ ]
↑ pos

第三步：_finish 后移
[1] [2] [99] [3] [4] [5] [ ] [ ]
↑ _finish

为什么从后往前搬移？ 因为从前往后会覆盖还未搬移的元素。从后往前是唯一安全的顺序。

3.4 性能分析

insert 在头部插入是 O(n)，尾部插入是 O(1)。下面是用 100 万数据的实测对比：

📌 结论：频繁在中间/头部插入应改用 std::list 或 std::deque。vector 的强项是尾部操作和随机访问。

四、erase：返回值的艺术

4.1 完整实现

iterator erase(iterator pos) {
assert(pos >= _start && pos < _finish); // pos 必须指向有效元素

// 从 pos 开始，后面的元素依次前移
iterator it = pos;
while (it < _finish – 1) {
*it = *(it + 1);
++it;
}
—_finish;
_finish->~T(); // 析构被删元素

return pos; // 返回删除位置的下一个有效元素
}

4.2 返回值为什么重要？

考虑这个常见需求：删除 vector 中所有偶数。错误写法：

// ❌ 错误：erase 后 it 失效，++it 是未定义行为
for (auto it = v.begin(); it != v.end(); ++it) {
if (*it % 2 == 0) v.erase(it);
}

正确写法：利用 erase 的返回值——它返回删除位置的下一个有效迭代器。

// ✅ 正确：用返回值更新 it
for (auto it = v.begin(); it != v.end(); ) {
if (*it % 2 == 0) it = v.erase(it); // erase 返回下一个位置
else ++it; // 没删除才 ++
}

底层原因：erase 后，pos 位置被后面的元素覆盖，原来的迭代器逻辑上已经"指向了不同的元素"。标准规定 erase 返回被删元素的下一个位置的迭代器，这是唯一安全继续遍历的方式。

4.3 元素搬移图解

以 v = {1, 2, 3, 4, 5}，删除索引 1（元素 2）为例：

删除前： [1] [2] [3] [4] [5] [ ] [ ]
↑ pos

搬移过程：从 pos 开始，后面元素依次前移
[1] [3] [4] [5] [5] [ ] [ ]
↑ pos 逐步后移

搬移结束：_finish 前移，析构最后一个无效元素
[1] [3] [4] [5] [ ] [ ] [ ]
↑ _finish

返回： pos 现在指向元素 3

五、resize：size 与 capacity 的协调

void resize(size_t n, const T& val = T()) {
if (n < size()) {
// 情况一：缩小，析构多余元素
for (size_t i = n; i < size(); i++) {
_start[i].~T();
}
_finish = _start + n;
} else {
// 情况二：扩大
if (n > capacity()) {
reserve(n); // 先保证容量够
}
// 用 val 填充新增位置
for (size_t i = size(); i < n; i++) {
_start[i] = val;
}
_finish = _start + n;
}
}

关键区别回顾：

用一张表记住：

reserve(10) → size=0, capacity=10 （只买房，不住人）
resize(10) → size=10, capacity=10 （买房且住满 10 人）

六、swap 与赋值重载

6.1 swap：O(1) 交换

void swap(vector<T>& v) {
std::swap(_start, v._start);
std::swap(_finish, v._finish);
std::swap(_end_of_storage, v._end_of_storage);
}

只交换三个指针，不涉及任何元素拷贝，所以是 O(1)。这是后面现代写法赋值重载的基础。

6.2 赋值重载：现代写法

传统写法（自己释放旧空间再拷贝）：

vector<T>& operator=(const vector<T>& v) {
if (this != &v) {
delete[] _start; // 释放旧空间
_start = _finish = _end_of_storage = nullptr;
reserve(v.capacity()); // 开新空间
for (const auto& e : v) push_back(e); // 深拷贝
}
return *this;
}

现代写法（拷贝-交换惯用法，Copy-and-Swap）：

vector<T>& operator=(vector<T> v) { // 注意：参数是值传递，会调用拷贝构造
swap(v); // 交换后，v 持有旧数据，函数结束时自动析构
return *this;
}

现代写法的三个优势：

💡 面试加分点：能说出"拷贝-交换惯用法"和异常安全性的候选人，通常会被认为对 C++ 有较深理解。

七、迭代器失效：三种场景 + 底层原因

这是本篇的核心，也是面试最高频的考点。

7.1 三种失效场景

场景一：扩容导致全部失效

vector<int> v = {1, 2, 3};
auto it = v.begin();
v.push_back(4); // 触发扩容
// *it; // ❌ 野指针，旧内存已释放

底层原因：扩容时 reserve 内部 delete[] _start 释放了旧内存，所有指向旧内存的迭代器变成悬空指针。

场景二：insert 导致 pos 及之后失效

vector<int> v = {1, 2, 3, 4, 5};
auto it = v.begin() + 2;
v.insert(it, 99);
// *it; // ❌ 即使没扩容，it 指向的元素也变了

底层原因：插入后 pos 位置的元素被搬到 pos+1，it 现在指向的是新插入的 99，语义上已经"失效"（不再是原来那个元素）。

场景三：erase 导致 pos 及之后失效

vector<int> v = {1, 2, 3, 4, 5};
auto it = v.begin() + 1;
v.erase(it);
// *it; // ❌ it 现在指向的是元素 3，不是原来的 2

底层原因：删除后后续元素前移，it 指向的位置被新元素占据。

7.2 失效场景速查表

7.3 三条黄金法则

法则一：任何可能改变 capacity 的操作后，所有迭代器作废
法则二：insert/erase 后，只有返回值是可信的
法则三：跨操作不要缓存迭代器，用的时候重新获取

八、完整代码

#include <iostream>
#include <cassert>
#include <string>
#include <algorithm>
using namespace std;

namespace my_vector {

template <typename T>
class vector {
public:
typedef T* iterator;
typedef const T* const_iterator;

// ========== 构造 / 析构 ==========
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);
}

template <class InputIterator>
vector(InputIterator first, InputIterator last)
: _start(nullptr), _finish(nullptr), _end_of_storage(nullptr) {
while (first != last) { push_back(*first); ++first; }
}

vector(const vector<T>& v)
: _start(nullptr), _finish(nullptr), _end_of_storage(nullptr) {
reserve(v.capacity());
for (const auto& e : v) push_back(e);
}

// 现代写法赋值重载（拷贝-交换惯用法）
vector<T>& operator=(vector<T> v) {
swap(v);
return *this;
}

~vector() {
if (_start) {
for (size_t i = 0; i < size(); i++) _start[i].~T();
delete[] _start;
}
_start = _finish = _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; }

// ========== 容量 ==========
size_t size() const { return _finish – _start; }
size_t capacity() const { return _end_of_storage – _start; }
bool empty() const { return _start == _finish; }

void reserve(size_t n) {
if (n > capacity()) {
size_t oldSize = size();
T* tmp = new T[n];
if (_start) {
for (size_t i = 0; i < oldSize; i++) tmp[i] = _start[i];
delete[] _start;
}
_start = tmp;
_finish = tmp + oldSize;
_end_of_storage = tmp + n;
}
}

void resize(size_t n, const T& val = T()) {
if (n < size()) {
for (size_t i = n; i < size(); i++) _start[i].~T();
_finish = _start + n;
} else {
if (n > capacity()) reserve(n);
for (size_t i = size(); i < n; i++) _start[i] = val;
_finish = _start + n;
}
}

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

void pop_back() {
assert(_finish > _start);
—_finish;
_finish->~T();
}

iterator insert(iterator pos, const T& x) {
assert(pos >= _start && pos <= _finish);
if (_finish == _end_of_storage) {
size_t offset = pos – _start; // 记录偏移量
reserve(capacity() == 0 ? 4 : capacity() * 2);
pos = _start + offset; // 重新计算 pos
}
iterator end = _finish;
while (end > pos) { *end = *(end – 1); —end; }
*pos = x;
++_finish;
return pos;
}

iterator erase(iterator pos) {
assert(pos >= _start && pos < _finish);
iterator it = pos;
while (it < _finish – 1) { *it = *(it + 1); ++it; }
—_finish;
_finish->~T();
return pos;
}

// ========== 访问 ==========
T& operator[](size_t i) { return _start[i]; }
const T& operator[](size_t i) const { return _start[i]; }

// ========== swap ==========
void swap(vector<T>& v) {
std::swap(_start, v._start);
std::swap(_finish, v._finish);
std::swap(_end_of_storage, v._end_of_storage);
}

private:
iterator _start;
iterator _finish;
iterator _end_of_storage;
};

} // namespace my_vector

// ========== 测试 ==========
void print(const my_vector::vector<int>& v, const string& name) {
cout << name << ": [";
for (size_t i = 0; i < v.size(); i++)
cout << v[i] << (i < v.size() – 1 ? ", " : "");
cout << "] size=" << v.size() << " cap=" << v.capacity() << endl;
}

int main() {
my_vector::vector<int> v{1, 2, 3, 4, 5};
print(v, "初始");

v.insert(v.begin() + 2, 99);
print(v, "insert(2, 99)");

v.erase(v.begin() + 2);
print(v, "erase(2)");

v.resize(8, 7);
print(v, "resize(8, 7)");

v.resize(3);
print(v, "resize(3)");

v.pop_back();
print(v, "pop_back");

// 安全删除所有偶数
for (auto it = v.begin(); it != v.end(); ) {
if (*it % 2 == 0) it = v.erase(it);
else ++it;
}
print(v, "删除偶数后");

return 0;
}

运行结果：

初始: [1, 2, 3, 4, 5] size=5 cap=8
insert(2, 99): [1, 2, 99, 3, 4, 5] size=6 cap=8
erase(2): [1, 2, 3, 4, 5] size=5 cap=8
resize(8, 7): [1, 2, 3, 4, 5, 7, 7, 7] size=8 cap=8
resize(3): [1, 2, 3] size=3 cap=8
pop_back: [1, 2] size=2 cap=8
删除偶数后: [1] size=1 cap=8

九、常见问题 FAQ

Q1：insert 返回值有什么用？为什么不能继续用传入的 pos？

因为扩容后 pos 指向的是已释放的旧内存，即使不扩容，pos 指向的元素也已被搬移。返回值是新位置上有效的迭代器，是唯一安全继续操作的方式。

Q2：erase 为什么返回 pos 而不是 pos-1？

因为删除后，原 pos 位置的元素被后面的元素覆盖，pos 现在指向的是"被删元素的下一个元素"。返回 pos 正好可以让循环继续遍历。

Q3：reserve 之后能用 v[i] 访问吗？

不能。reserve 只改变 capacity，不改变 size。v[i] 对 i >= size() 是越界访问，未定义行为。

Q4：为什么 insert/erase 内部不用 memmove 加速？

memmove 是字节级搬移，对 int 等 trivially copyable 类型没问题，但对 string 等自定义类型会破坏其内部指针（浅拷贝），导致 double free。必须用赋值运算符逐个搬移。

Q5：swap 后原来的迭代器还能用吗？

能用，但指向的对象变了。假设 v1 和 v2 交换，原来指向 v1 元素的迭代器现在指向 v2 中相同位置的元素。标准规定 swap 不失效迭代器，但语义上要小心。

Q6：赋值重载的现代写法为什么参数是值传递？

值传递会触发一次拷贝构造，得到一份独立的副本 v。然后用 swap 把副本换给 this，函数结束时副本（现在持有旧的 this 数据）自动析构。整个过程天然异常安全，且自动处理自赋值。

总结

本篇完成了 vector 的核心增删查改，重点回顾：

下篇预告：《C++ vector 模拟实现（三）：拷贝构造的深拷贝陷阱，memcpy 为什么不能用？》将深入讲透深拷贝 vs 浅拷贝、传统写法 vs 现代写法、以及为什么 memcpy 是 vector 实现中的"定时炸弹"。敬请期待。

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