9. C++STL详解vector的使用以及模拟实现

一、vector的使用介绍

vector文档

1.1 vector的定义

1.2 vector iterator 的使用

vector 空间增长问题

capacity的代码在vs和g++下分别运行会发现，vs下capacity是按1.5倍增长的，g++是按2倍增长的。这个问题经常会考察，不要固化的认为，vector增容都是2倍，具体增长多少是根据具体的需求定义的。vs是PJ版本STL，g++是SGI版本STL。reserve只负责开辟空间，如果确定知道需要用多少空间，reserve可以缓解vector增容的代价缺陷问题。

resize在开空间的同时还会进行初始化，影响size。

void TestVectorExpand()
{size_t sz;std::vector<int> v;sz = v.capacity();cout << "making v grow:\n";for (int i = 0; i < 100; ++i){v.push_back(i);if (sz != v.capacity()){sz = v.capacity();cout << "capacity changed: " << sz << '\n';}}
}

vs：运行结果：

vs下使用的STL基本是按照1.5倍方式扩容

g++运行结果：

linux下使用的STL基本是按照2倍方式扩容

1.3 vector 增删查改

二、vector 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：

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 TestVector3() {std::vector<int> v{ 1,2,3,4,5,6 };auto it = v.begin();// 将有效元素个数增加到100个，多出的位置使用8填充，操作期间底层会扩容v.resize(100, 8);// reserve的作用就是改变扩容大小但不改变有效元素个数，操作期间可能会引起底层容量改变v.reserve(100);// 插入元素期间，可能会引起扩容，而导致原空间被释放v.insert(v.begin(), 0);v.push_back(8);// 给vector重新赋值，可能会引起底层容量改变v.assign(100, 8);/*出错原因：以上操作，都有可能会导致vector扩容，也就是说vector底层原理旧空间被释放掉，而在打印时，it还使用的是释放之间的旧空间，在对it迭代器操作时，实际操作的是一块已经被释放的空间，而引起代码运行时崩溃。解决方式：在以上操作完成之后，如果想要继续通过迭代器操作vector中的元素，只需给it重新赋值即可。*/while (it != v.end()){cout << *it << " ";++it;}cout << endl;
}

指定位置元素的删除操作–>erase

void TestVector4() {int a[] = { 1, 2, 3, 4 };std::vector<int> v(a, a + sizeof(a) / sizeof(int));// 使用find查找3所在位置的iteratorvector<int>::iterator pos = find(v.begin(), v.end(), 3);// 删除pos位置的数据，导致pos迭代器失效。v.erase(pos);cout << *pos << endl; // 此处会导致非法访问
}

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。因此删除vector中任意位置上元素时，vs就认为该位置迭代器失效了。

void TestVector5() {vector<int> v{ 1, 2, 3, 4 };auto it = v.begin();while (it != v.end()){if (*it % 2 == 0)v.erase(it);++it;}
}

解决方法：需要下面这样写

void TestVector6() {vector<int> v{ 1, 2, 3, 4 };auto it = v.begin();while (it != v.end()){if (*it % 2 == 0)it = v.erase(it);else++it;}
}

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。

1. 扩容之后，迭代器已经失效了，程序虽然可以运行，但是运行结果已经不对了

int main()
{vector<int> v{ 1,2,3,4,5 };for (size_t i = 0; i < v.size(); ++i)cout << v[i] << " ";cout << endl;auto it = v.begin();cout << "扩容之前，vector的容量为: " << v.capacity() << endl;// 通过reserve将底层空间设置为100，目的是为了让vector的迭代器失效v.reserve(100);cout << "扩容之后，vector的容量为: " << v.capacity() << endl;// 经过上述reserve之后，it迭代器肯定会失效，在vs下程序就直接崩溃了，但是linux下不会// 虽然可能运行，但是输出的结果是不对的while (it != v.end()){cout << *it << " ";++it;}cout << endl;return 0;
}

VS下执行：

Linux下执行：

2. erase删除任意位置代码后，linux下迭代器并没有失效，因为空间还是原来的空间，后序元素往前搬移了，it的位置还是有效的

int main()
{vector<int> v{ 1,2,3,4,5 };vector<int>::iterator it = find(v.begin(), v.end(), 3);v.erase(it);cout << *it << endl;while (it != v.end()){cout << *it << " ";++it;}cout << endl;return 0;
}

VS下执行：

Linux下执行：

3. erase删除的迭代器如果是最后一个元素，删除之后it已经超过end，此时迭代器是无效的，++it导致程序崩溃

int main()
{vector<int> v{ 1,2,3,4,5 };// vector<int> v{1,2,3,4,5,6};auto it = v.begin();while (it != v.end()){if (*it % 2 == 0)v.erase(it);++it;}for (auto e : v)cout << e << " ";cout << endl;return 0;
}

VS下执行：

使用第一组数据：

使用第二组数据：

Linux下执行：

使用第一组数据：

使用第二组数据：

从上述三个例子中可以看到：SGI STL中，迭代器失效后，代码并不一定会崩溃，但是运行结果肯定不对，如果it不在begin和end范围内，肯定会崩溃的。

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

int main() {string s("hello");auto it = s.begin();// 放开之后代码会崩溃，因为resize到20会string会进行扩容// 扩容之后，it指向之前旧空间已经被释放了，该迭代器就失效了// 后序打印时，再访问it指向的空间程序就会崩溃// s.resize(20, '!');while (it != s.end()){cout << *it;++it;}cout << endl;it = s.begin();while (it != s.end()){it = s.erase(it);// 按照下面方式写，运行时程序会崩溃，因为erase(it)之后// it位置的迭代器就失效了// s.erase(it);++it;}
}

迭代器失效解决办法：在使用前，对迭代器重新赋值即可。

三、vector的接口使用

#include <iostream>
#include <vector>
using namespace std;
//    vector的构造

int TestVector1()
{// constructors used in the same order as described above:vector<int> first;                                // empty vector of intsvector<int> second(4, 100);                       // four ints with value 100vector<int> third(second.begin(), second.end());  // iterating through secondvector<int> fourth(third);                       // a copy of third// 下面涉及迭代器初始化的部分，我们学习完迭代器再来看这部分// the iterator constructor can also be used to construct from arrays:int myints[] = { 16,2,77,29 };vector<int> fifth(myints, myints + sizeof(myints) / sizeof(int));cout << "The contents of fifth are:";for (vector<int>::iterator it = fifth.begin(); it != fifth.end(); ++it)cout << ' ' << *it;cout << '\n';return 0;
}
//  vector的迭代器

void PrintVector(const vector<int>& v)
{// const对象使用const迭代器进行遍历打印vector<int>::const_iterator it = v.begin();while (it != v.end()){cout << *it << " ";++it;}cout << endl;
}void TestVector2()
{// 使用push_back插入4个数据vector<int> v;v.push_back(1);v.push_back(2);v.push_back(3);v.push_back(4);// 使用迭代器进行遍历打印vector<int>::iterator it = v.begin();while (it != v.end()){cout << *it << " ";++it;}cout << endl;// 使用迭代器进行修改it = v.begin();while (it != v.end()){*it *= 2;++it;}// 使用反向迭代器进行遍历再打印// vector<int>::reverse_iterator rit = v.rbegin();auto rit = v.rbegin();while (rit != v.rend()){cout << *rit << " ";++rit;}cout << endl;PrintVector(v);
}
//  vector的resize 和 reserve

// reisze(size_t n, const T& data = T())
// 将有效元素个数设置为n个，如果时增多时，增多的元素使用data进行填充
// 注意：resize在增多元素个数时可能会扩容
void TestVector3()
{vector<int> v;// set some initial content:for (int i = 1; i < 10; i++)v.push_back(i);v.resize(5);v.resize(8, 100);v.resize(12);cout << "v contains:";for (size_t i = 0; i < v.size(); i++)cout << ' ' << v[i];cout << '\n';
}// 测试vector的默认扩容机制
// vs：按照1.5倍方式扩容
// linux：按照2倍方式扩容
void TestVectorExpand()
{size_t sz;vector<int> v;sz = v.capacity();cout << "making v grow:\n";for (int i = 0; i < 100; ++i){v.push_back(i);if (sz != v.capacity()){sz = v.capacity();cout << "capacity changed: " << sz << '\n';}}
}// 往vecotr中插入元素时，如果大概已经知道要存放多少个元素
// 可以通过reserve方法提前将容量设置好，避免边插入边扩容效率低
void TestVectorExpandOP()
{vector<int> v;size_t sz = v.capacity();v.reserve(100);   // 提前将容量设置好，可以避免一遍插入一遍扩容cout << "making bar grow:\n";for (int i = 0; i < 100; ++i){v.push_back(i);if (sz != v.capacity()){sz = v.capacity();cout << "capacity changed: " << sz << '\n';}}
}
//  vector的增删改查

// 尾插和尾删：push_back/pop_back
void TestVector4()
{vector<int> v;v.push_back(1);v.push_back(2);v.push_back(3);v.push_back(4);auto it = v.begin();while (it != v.end()){cout << *it << " ";++it;}cout << endl;v.pop_back();v.pop_back();it = v.begin();while (it != v.end()){cout << *it << " ";++it;}cout << endl;
}// 任意位置插入：insert和erase，以及查找find
// 注意find不是vector自身提供的方法，是STL提供的算法
void TestVector5()
{// 使用列表方式初始化，C++11新语法vector<int> v{ 1, 2, 3, 4 };// 在指定位置前插入值为val的元素，比如：3之前插入30,如果没有则不插入// 1. 先使用find查找3所在位置// 注意：vector没有提供find方法，如果要查找只能使用STL提供的全局findauto pos = find(v.begin(), v.end(), 3);if (pos != v.end()){// 2. 在pos位置之前插入30v.insert(pos, 30);}vector<int>::iterator it = v.begin();while (it != v.end()){cout << *it << " ";++it;}cout << endl;pos = find(v.begin(), v.end(), 3);// 删除pos位置的数据v.erase(pos);it = v.begin();while (it != v.end()) {cout << *it << " ";++it;}cout << endl;
}// operator[]+index 和 C++11中vector的新式for+auto的遍历
// vector使用这两种遍历方式是比较便捷的。
void TestVector6()
{vector<int> v{ 1, 2, 3, 4 };// 通过[]读写第0个位置。v[0] = 10;cout << v[0] << endl;// 1. 使用for+[]小标方式遍历for (size_t i = 0; i < v.size(); ++i)cout << v[i] << " ";cout << endl;vector<int> swapv;swapv.swap(v);cout << "v data:";for (size_t i = 0; i < v.size(); ++i)cout << v[i] << " ";cout << endl;// 2. 使用迭代器遍历cout << "swapv data:";auto it = swapv.begin();while (it != swapv.end()){cout << *it << " ";++it;}// 3. 使用范围for遍历for (auto x : v)cout << x << " ";cout << endl;
}

四、OJ练习

4.1 只出现一次的数字 I

136. 只出现一次的数字 - 力扣（LeetCode）

class Solution {
public:int singleNumber(vector<int>& nums) {int x = 0;for (int i = 0; i < nums.size(); i++) {x ^= nums[i];}return x;}
};

4.2 杨辉三角

118. 杨辉三角 - 力扣（LeetCode）

class Solution {
public:vector<vector<int>> generate(int numRows) {vector<vector<int>> vv(numRows);for (int i = 0; i < numRows; i++) {vv[i].resize(i + 1, 1);}for (int i = 2; i < numRows; i++) {for (int j = 1; j < i; j++) {vv[i][j] = vv[i - 1][j - 1] + vv[i - 1][j];}}return vv;}
};

4.3 删除有序数组中的重复项

26. 删除有序数组中的重复项 - 力扣（LeetCode）

int removeDuplicates(int* nums, int numsSize) {int src = 0, dest = src + 1;while (dest < numsSize) {if (nums[src] != nums[dest]) {nums[++src] = nums[dest++];} elsedest++;}return src + 1;
}

4.4 只出现一次的数字||

137. 只出现一次的数字 II - 力扣（LeetCode）

class Solution {
public:int singleNumber(vector<int> &nums) {int ans = 0;for (int i = 0; i < 32; i++) {int cnt1 = 0;for (int x: nums) {cnt1 += x >> i & 1;}ans |= cnt1 % 3 << i;}return ans;}
};

4.5 只出现一次的数字|||

260. 只出现一次的数字 III - 力扣（LeetCode）

class Solution {
public:vector<int> singleNumber(vector<int> &nums) {unsigned int xor_all = 0;for (int x: nums) {xor_all ^= x;}int lowbit = xor_all & -xor_all;vector<int> ans(2);for (int x: nums) {ans[(x & lowbit) != 0] ^= x; // 分组异或}return ans;}
};

4.6 数组中出现次数超过一半的数字

数组中出现次数超过一半的数字_牛客题霸_牛客网

class Solution {public:int MoreThanHalfNum_Solution(vector<int>& numbers) {sort(numbers.begin(), numbers.end());return numbers[numbers.size() / 2];}
};

五、vector深度剖析及模拟实现

六、使用memcpy拷贝问题

假设模拟实现的vector中的reserve接口中，使用memcpy进行的拷贝，以下代码会发生什么问题？

void TestVector7() {lsl::vector<string> v;v.push_back("1111");v.push_back("2222");v.push_back("3333");v.push_back("4444");v.push_back("5555");
}

其中reserve的实现：

void reserve(size_t n)
{// 检查容量是否满if (_finish == _end_of_storage) {size_t oldSize = size(); // 保存旧的数据T* tmp = new T[n];// 注意这里if(_start)memcpy(tmp, _start, sizeof(T) * oldSize);// 释放原来的空间delete[] _start;// 改变指针_start = tmp;_finish = _start + oldSize;_end_of_storage = _start + n;}
}

问题分析：

1. memcpy是内存的二进制格式拷贝，将一段内存空间中内容原封不动的拷贝到另外一段内存空间中
2. 如果拷贝的是自定义类型的元素，memcpy既高效又不会出错，但如果拷贝的是自定义类型元素，并且自定义类型元素中涉及到资源管理时，就会出错，因为memcpy的拷贝实际是浅拷贝。

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。

正确修改：

void reserve(size_t n)
{// 检查容量是否满if (_finish == _end_of_storage) {size_t oldSize = size(); // 保存旧的数据T* tmp = new T[n];// 不能使用memcpy，会造成浅拷贝//if(_start)//	memcpy(tmp, _start, sizeof(T) * oldSize);if (_start)for (size_t i = 0; i < oldSize; i++)tmp[i] = _start[i]; // 内置类型直接赋值，自定义类型调用它的赋值重载// 释放原来的空间delete[] _start;// 改变指针_start = tmp;_finish = _start + oldSize;_end_of_storage = _start + n;}
}

七、std::vector的核心框架接口的模拟实现vector

#pragma once#include <iostream>
#include <stdlib.h>
#include <assert.h>using namespace std;namespace lsl
{template<class T>class vector {// vector 的迭代器是原生指针typedef T* iterator;typedef const T* const_iterator;public:/// <summary>/// 迭代器/// </summary>iterator begin() {return _start;}iterator end() {return _finish;}const_iterator begin() const {return _start;}const_iterator end() const {return _finish;}/// <summary>/// 构造与析构/// </summary>vector(){}vector(size_t n, const T& val = T()) {resize(n, val);}/** 理论上提供了vector(size_t n, const T& value = T())之后* vector(int n, const T& value = T())就不需要提供了，但是对于：* vector<int> v(10, 5);* 编译器在编译时，认为T已经被实例化为int，而10和5编译器会默认其为int类型* 就不会走vector(size_t n, const T& value = T())这个构造方法，* 最终选择的是：vector(InputIterator first, InputIterator last)* 因为编译器觉得区间构造两个参数类型一致，因此编译器就会将InputIterator实例化为int* 但是10和5根本不是一个区间，编译时就报错了* 故需要增加该构造方法*/vector(int n, const T& val = T()) {resize(n, val);}template<class InputIterator>vector(InputIterator first, InputIterator last) {while (first != last){push_back(*first);++first;}}vector(initializer_list<T> il) {reserve(il.size());for (auto& e : il)push_back(e);}vector(const vector<T>& v) {// 先开空间reserve(v.capacity());for (const auto& e : v)push_back(e);}void Swap(vector<T>& v) {std::swap(_start, v._start);std::swap(_finish, v._finish);std::swap(_start, v._start);}vector<T>& operator=(const vector<T> v) {Swap(v);return *this;}~vector(){if (_start) {delete[] _start;_start = _finish = _end_of_storage = nullptr;}}/// <summary>/// 容量相关/// </summary>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){// 检查容量是否满if (_finish == _end_of_storage) {size_t oldSize = size(); // 保存旧的数据T* tmp = new T[n];// 不能使用memcpy，会造成浅拷贝//if(_start)//	memcpy(tmp, _start, sizeof(T) * oldSize);if (_start)for (size_t i = 0; i < oldSize; i++)tmp[i] = _start[i]; // 内置类型直接赋值，自定义类型调用它的赋值重载// 释放原来的空间delete[] _start;// 改变指针_start = tmp;_finish = _start + oldSize;_end_of_storage = _start + n;}}void resize(size_t n, const T& val = T()) {// 如果比size()小直接改变_finishif (n < size())_finish = _start + n;else {// 扩容数据reserve(n);// 拷贝n个valwhile (_finish != _start + n)*_finish++ = val;}}/// <summary>/// 增删查改/// </summary>T& operator[](size_t i) {assert(i < size());return _start[i];}const T& operator[](size_t i) const {assert(i < size());return _start[i];}T& front(){return *_start;}const T& front()const{return *_start;}T& back(){return *(_finish - 1);}const T& back()const{return *(_finish - 1);}iterator insert(iterator pos, const T& x) {assert(pos >= _start);assert(pos <= _finish);// 发生了扩容,会导致迭代器失效,需要重新更新一下posif (_finish == _end_of_storage) {size_t len = pos - _start;reserve(capacity() == 0 ? 4 : capacity() * 2);pos = _start + len;}iterator it = _finish - 1;while (it >= pos){*(it + 1) = *it;--it;}*pos = x;++_finish;return pos;}// 返回删除数据的下一个数据，解决:一边遍历一边删除的迭代器失效问题iterator erase(iterator pos) {assert(pos >= _start);assert(pos < _finish);iterator it = pos + 1;while (it < _finish){*(it - 1) = *it;++it;}--_finish;return pos;}void push_back(const T& x) {insert(end(), x);}//void push_back(const T& x) {//	if (_finish == _end_of_storage)//		reserve(capacity() == 0 ? 4 : capacity() * 2);//	*_finish++ = x;//}void pop_back() {erase(end() - 1);}private:iterator _start = nullptr;iterator _finish = nullptr;iterator _end_of_storage = nullptr;};
}