c++如何实现一个std::vector c++动态数组底层原理【揭秘】

std::vector采用三指针模型管理内存：_M_start、_M_finish、_M_end_of_storage分别指向首元素、逻辑末尾、容量末尾；扩容用倍增策略，移动构造旧元素；构造/析构通过allocator_traits显式控制，不依赖T的默认构造函数。

std::vector 的核心结构：三指针模型

std::vector 并不是“一个数组”，而是一个封装了**起始地址、当前末尾、容量末尾**三个指针的类模板。它底层用一块连续的堆内存（raw memory）存储元素，通过这三个指针管理逻辑大小（size）和物理空间（capacity）：

• _M_start：指向第一个元素的指针（size = 0 时可为 nullptr）
• _M_finish：指向最后一个元素的下一个位置（即 size 对应的位置）
• _M_end_of_storage：指向已分配内存块的末尾（即 capacity 对应的位置）

内存分配与扩容机制：倍增策略

vector 默认使用 std::allocator 分配原始内存，不直接调用 T 的构造函数。插入新元素时：

• 若 _M_finish != _M_end_of_storage，直接在 _M_finish 处 placement-new 构造对象，然后 ++_M_finish
• 若空间不足，则重新分配更大内存（通常为当前 capacity 的 1.5 倍或 2 倍），将旧元素逐个移动构造（C++11 起优先用 move）到新内存，再销毁旧对象并释放旧内存
• 注意：扩容会令所有迭代器、引用、指针失效 —— 这是 vector 最关键的行为约束

元素构造与析构：不依赖默认初始化

vector 不要求 T 有默认构造函数。它用 allocator_traits::construct 在指定地址上按参数构造对象，用 allocator_traits::destroy 显式调用析构函数 —— 这保证了对无默认构造函数类型（如 std::string_view 或自定义类）的支持。

例如：v.emplace_back(42, "hello") 会在空闲位置直接调用 T(42, "hello")，跳过默认构造 + 赋值两步。

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简易手写 vector 片段（仅示意关键逻辑）

以下代码省略异常安全、allocator 支持、迭代器类型等细节，聚焦核心原理：

template
class simple_vector {
    T* _data = nullptr;
    size_t _size = 0;
    size_t _cap = 0;
public:
void push_back(const T& x) {
if (_size == _cap) reallocate(_cap ? _cap * 2 : 1);
new (_data + _size) T(x); // placement-new
++_size;
}
void pop_back() {
    (_data + _size - 1)->~T(); // 显式析构
    --_size;
}

~simple_vector() {
    for (size_t i = 0; i < _size; ++i)
        (_data + i)->~T();
    operator delete(_data);
}
private:
void reallocate(size_t new_cap) {
T new_data = static_cast>(operator new(new_cap * sizeof(T)));
for (size_t i = 0; i