vector

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vector的成员函数：

at：

​编辑

 size：

assign：赋值

insert

find？

erase

swap

shrink_to_fit

​编辑

 vector的模拟实现：

vector的框架：

构造函数：

size和capacity

 reserve函数：

begin和end

[]

尾插函数：

 const修饰的begin和end

const修饰的[]

empty函数：

resize：

尾删

insert：

标准库里面的find函数：

---

vector的成员函数：

at：

 at表示访问vector的第n个位置的数据。

我们进行实验：

#include<stdio.h>
#include<vector>
#include<iostream>
using namespace std;void vector_test1()
{vector<int> v;v.resize(10, 5);for (int i = 0; i < v.size(); i++){cout << v.at(i) << " ";}cout << endl;
}
int main()
{vector_test1();return 0;
}

我们使用resize对v进行初始化，初始化的结果是vector有是个整型元素，十个元素都是5，我们遍历v，使用at函数，打印vector的每一个元素。

 size：

size函数的返回值是vector中有效元素的个数。

void func(const vector<int>&v)
{v.size();
}
void test_vector2()
{vector<int> v;v.push_back(1);v.push_back(2);v.push_back(3);v.push_back(4);v.push_back(5);v.size();func(v);
}
int main()
{/*vector_test1();*/test_vector2();return 0;
}

如图所示的函数，为什么func这里需要传引用呢？

答：因为我们的vector中存储的数据类型不仅可能是内置类型，也有可能是自定义类型，传值传参的过程本身就是拷贝，对于内置类型，拷贝的消耗不大，但是对于自定义类型，拷贝的消耗就很大，所以我们用传引用传参提高效率。

如图所示，为什么传参时需要加上const呢？

答：因为我们是传引用传参，我们得到v是为了读取到v上的size()，假如我们不加const，我们对v或v上的数据进行修改时，v本身也会做出相应的变化，所以我们加上const，表示我们的v是只读的，防止函数内部对v进行修改。

 如图所示：这两个size函数的调用是同一个size吗？

 答：如图所示：

是同一个size，因为我们的size只有一个接口函数，加上const的原因是我们的size是vector的基础属性，我们可以读取size，但是不能对size进行修改。我们在传参时，发生了权限的缩小，我们的v在test_vector2函数中是可读可写的，但是到了func函数中，我们的v变成了只读函数。

 同样是vector函数，为什么size函数只有一个接口函数，而[]函数却有两个接口函数？

void func(const vector<int>&v)
{v[0];v[0]++;
}
void test_vector2()
{vector<int> v;v.push_back(1);v.push_back(2);v.push_back(3);v.push_back(4);v.push_back(5);v[0];v[0]++;func(v);
}
int main()
{/*vector_test1();*/test_vector2();return 0;
}

 我们进行编译：

 func的v[0]++出现错误：原因如下：

答：在test_vector2中，因为我们的v是可读可写的，所以我们的[]匹配的就是这个函数：

 在func2中，因为我们的v被const修饰，所以我们的v是只读的，我们调用[]函数匹配的就是这个函数：

 因为我们的[]被const修饰，所以我们只能读而不能修改。

总结：1：只读函数，const例如：size()

我们的size()函数本身就是只读的，所以我们用可读的对象或者可读可写的对象都可以调用size()函数。

2：只写函数，非const  例如：push_back（）

 我们的push_back函数必须要求调用函数的对象必须是可写的，也就是说const修饰的对象不能调用push_back函数。

3：可读可写的函数  例如：[]和at()函数

 我们这些函数有两个接口函数，当我们调用函数的对象是可读可写的，我们就调用第一个函数，假如我们调用函数的对象是只读的，我们就调用第二个函数。

 问题：at()和[]函数的区别在哪里？

我们先写一串代码：

void test_vector3()
{vector<int> v;v.reserve(10);for (size_t i = 0; i < 10; ++i){v[i] = i;}
}
int main()
{/*vector_test1();*/test_vector3();return 0;
}

我们进行运行会报错：

这里报的错误是断言错误，原因如下：我们虽然reserve开了10个空间，但是我们并没有resize，所以我们的size依旧是0，我们的[]内部的实现里有一个断言函数：要求[i]中的i要小于size，我们的size为0，所以不满足断言，所以会报错。

 假如我们把这里的[]换成at呢？还会报错吗？

 依旧会报错，但是这里报错的形式是抛异常。

总结：at和[]的不同点在于报错的形式：

at是通过抛异常的形式进行报错。

[]是通过断言的形式进行报错。

断言报错是有缺点的，因为assert只有在Debug版本下才能生效，在release版本下会失效。

assign：赋值

 assign有两种写法，第一种写法是以迭代器区间的形式进行赋值，第二种就是普通的赋值。

问题1：为什么这里需要用类摸板，为什么不直接用迭代器。

答：原因是我们的vector中不仅会有内置类型，也可能会有自定义类型，对于自定义类型的迭代器，我们可以用类模板实现。

我们对两种函数进行实验：

void test_vector3()
{vector<int> v;v.push_back(1);v.push_back(2);v.push_back(3);v.assign(10, 1);for (auto e : v){cout << e << " ";}cout << endl;
}
int main()
{/*vector_test1();*/test_vector3();return 0;
}

 assign表示把vector的前十个元素都赋值为1.

assign的第二种应用。

void test_vector3()
{vector<int> v,v1;v.push_back(1);v.push_back(2);v.push_back(3);v1.assign(v.begin(), v.end());for (auto e : v1){cout << e << " ";}cout << endl;
}
int main()
{/*vector_test1();*/test_vector3();return 0;
}

assign这里表示把从迭代器v.begin()到v.end()的全部元素都赋值给v1.

我们进行调用。

 接下来，我们尝试用string进行赋值。

void test_vector3()
{/*vector<int> v,v1;v.push_back(1);v.push_back(2);v.push_back(3);*/vector<int> v;string str("hello world");v.assign(str.begin(), str.end());//v1.assign(v.begin(), v.end());for (auto e : v){cout << e << " ";}cout << endl;
}
int main()
{/*vector_test1();*/test_vector3();return 0;
}

我们把迭代器str.begin()到str.end()的元素赋值给v，我们进行打印。

 之所以是数字:我们的vector内的数据类型是int，所以把string中的char类型强制转换成为了int，变成了数字。

insert

 我们的string的insert函数的参数使用的是下标，而我们的vecor的insert使用的都是迭代器。

我们在vector中不提供头插和头删，原因是头插和头删需要挪动数据，造成效率降低。

如果我们真的想要使用头插或者头删时，我们可以使用insert和erase来代替。

例如：

void test_vector3()
{vector<int> v;v.reserve(10);v.insert(v.begin(), 1);for (int i = 0; i < v.size(); i++){cout << v[i] << "";}cout << endl;
}
int main()
{/*vector_test1();*/test_vector3();return 0;
}

find？

 我们发现，vector的成员函数并没有find，为什么呢？

我们在std标准库找到了find函数

 因为除了string容器之外，其他容器的find函数都是通过迭代器实现的，所以我们把这些容器的find函数直接写成一个，直接写在标准库中。

 我们从迭代器first找到last，因为last是容器最后一个元素的下一个位置，所以last一定不是需要找的元素，所以当找到时，我们返回对应的迭代器，没有找到，我们返回last这个迭代器即可。

我们进行实验：

void test_vector3()
{vector<int> v;v.resize(10);for (size_t i = 0; i < v.size(); i++){v[i] = i;}vector<int>::iterator it = find(v.begin(), v.end(), 3);if (it != v.end()){v.insert(it, 30);}for (auto e : v){cout << e << " ";}cout << endl;
}
int main()
{/*vector_test1();*/test_vector3();return 0;
}

我们的目的是从v中找到3的位置，在3的位置插入10。

 问题：string为什么不使用标准库里面的find函数？

答：1：因为string出现的比较早，string出现的时候，标准库还没有完善。

2：因为string可能存在查找子串，我们用迭代器无法实现查找子串。

erase

表示删除vector的元素，分为两个接口函数，第一个接口函数是删除迭代器位置的一个元素，第二个接口函数是删除两个迭代器之间的元素。
具体的使用案例我们在网站就能查到，这里不再赘述。

swap

我们知道，算法库里面也有一个swap函数：

 这两个函数哪一个函数更建议使用？

答：我们更建议使用vector的成员函数swap，如图所示：

 标准库里面的swap函数是通过类模板实现的，并且中间使用了三次拷贝构造函数，因为vector中的数据类型也可能是自定义类型，对于自定义类型的拷贝构造效率太低，所以我们尽量使用vector自己提供的swap函数。

 既然vector已经提供了swap函数，但是为什么标准库std又特殊的为vector提供了swap函数，如图所示：

 我们写一串代码进行分析：

void test_vector3()
{vector<int> v,v1;v1.push_back(10);v1.push_back(20);v1.push_back(30);v1.swap(v);swap(v1, v);
}
int main()
{/*vector_test1();*/test_vector3();return 0;
}

这里出现了两个swap函数，第一个swap函数是vector的成员函数，第二个swap函数是标准库std里面的swap函数。

 我们知道，算法库里面的swap函数走的是三次深拷贝，但是我们这里的第二个函数调用的就是算法库里面的swap，是否真的会调用三次深拷贝呢？

答：并不会，如图所示：

 我们知道，编译器在匹配摸板的时候，一定找最合适的进行匹配，因为我们已经写好了我们是vector的摸板，所以调用算法库里面的swap函数直接匹配这里的摸板，有了摸板就不需要多次深拷贝了。

简单的说，如图所示：

 我们这里调用的swap(v1,v)会进行检查，编译器发现swap的两个参数都是vector，所以我们直接调用转换为调用vector的成员函数swap，也就是这样：v1.swap(v)

所以我们调用的这两个函数，最终的结果是一样的，第一个函数直接调用vector的成员函数swap，第二个调用标准库的swap函数，swap函数再进行识别，我们转而调用vector的成员函数swap。
 

shrink_to_fit

表示把vector的容量调整到和vector的size相同。

提出一个问题：缩容适合使用吗？

不适合，原因如下：首先，缩容是异地缩容，如图所示：

 我们的size是8，我们的capacity是16，假如我们要进行缩容，我们首先开辟一个空间大小为8的一份空间：

 然后我们把v1的有效元素放到tmp上，然后让v1指向tmp，然后释放掉v1即可。

这就是异地缩容的原理，所以异地缩容比较繁琐，效率低下，有没有原地缩容？

答：并没有原地缩容，例如：

 

 这是我们向内存申请的空间，假如我们想要释放空间的话，我们是不允许从middle位置释放空间的，因为这一部分空间是连贯的，我们只能从begin位置释放整个空间，所以也就不支持本地缩容。

vector函数支持缩容吗？

答：不支持，我们进行实验：

void test_vector3()
{vector<int> v,v1;v1.reserve(10);v1.push_back(10);v1.push_back(20);v1.push_back(30);cout << v1.capacity() << endl;v1.reserve(3);cout << v1.capacity() << endl;
}
int main()
{/*vector_test1();*/test_vector3();return 0;
}

 假如vector支持缩容时，我们打印的结果应该为3.

所以vector并不支持缩容。

 resize可以缩容吗？

答：不可以，我们进行实验：

void test_vector3()
{vector<int> v,v1;v1.reserve(10);v1.push_back(10);v1.push_back(20);v1.push_back(30);cout << v1.capacity() << endl;v1.resize(3);cout << v1.capacity() << endl;
}
int main()
{/*vector_test1();*/test_vector3();return 0;
}

我们进行运行：

resize也不能缩容。

总结：vector一般不支持缩容。 

 在如今的计算机领域，硬件存储空间越来越大的情况下，时间就要比空间重要的多，所以我们一般不频繁使用缩容函数，因为缩容一定是异地缩容，异地缩容的本质是以时间换空间。

我们对shrink_to_fit进行实验：

void test_vector3()
{vector<int> v,v1;v1.reserve(10);v1.push_back(10);v1.push_back(20);v1.push_back(30);cout << v1.capacity() << endl;v1.shrink_to_fit();cout << v1.capacity() << endl;
}
int main()
{/*vector_test1();*/test_vector3();return 0;
}

我们进行运行：

成功缩容。

 vector的模拟实现：

我们首先看一下vector的源代码，我们通过调试就可以看pj版本的源代码：

 vector在pj版本下的源代码大概是3000行，这里的内容是开源声明。

sgi的版本更适合我们初学者学习，我们查看sgi版本。

我们把我们在源码中找最重要的代码，进行精简：

 我们可以发现，vector的成员变量的雷西那个都是迭代器。

vector的结构图如图所示：

 我们按照这个框架模拟实现vector

vector的框架：

#pragma once
namespace bit
{template<class T>clasee vector{public:typedef T* iterator;private:iterator _start;iterator _finish;iterator _endofstorge;
};
}

T是我们定义的摸板，我们把T*类型重命名为iterator，我们有三个成员变量。

构造函数：

 这是源代码中vector的构造函数，其中使用了初始化列表，把三个迭代器都置为0，我们按照他的写法实现构造函数。

vector():_start(nullptr), _finish(nullptr), _endofstorge(nullptr){}

我们的三个成员变量都是迭代器，我们可以先把迭代器理解为指针，对于指针的初始化，我们可以赋值nullptr，初始化列表是在调用函数内容之前就已经实现的。

size和capacity

size_t size(){return _finish - _start;}size_t capacity(){return _endofstorage - _start;}

我们把迭代器先理解为指针，指针与指针相减的结果为数字，size是有效元素的个数，capacity是容量，我们根据图像就能够写出对应的函数。

 reserve函数：

void reserve(size_t n){if (n > capacity()){T*tmp = new T*[n];memcpy(tmp, _start, sizeof(T)*size());delete[] _start;_start = tmp;_finish = _start + size();_endofstorge = _start + n;}}

我们进行画图解释：

 只有当n大于我们的capacity时，我们才进行扩容，我们的reserve不缩容。

我们的思路是异地扩容，我们新申请一个大小为n的空间tmp，然后把vector上的数据拷贝到tmp上，然后释放掉原来vector的数据，让新的空间指向tmp，再对_finish和endofstorge进行修改。

这里可以用malloc初始化吗？

答：不能，因为malloc只会对内置类型初始化，对于自定义类型不初始化。

new相较于malloc的优点：

malloc需要判断是否申请空间失败，而new不需要，new失败的话会抛异常。 

begin和end

iterator begin(){return _start;}iterator end(){return _finish;}

[]

T&operator[](size_t pos){assert(pos < size());return _start[pos];}

我们的[]函数内部必须要断言：要求pos一定要小于size()

尾插函数：

void push_back(const T&x){if (_finish == _endofstorge){size_t newcapacity = capacity() == 0 ? 4 : capacity() * 2;reserve(newcapacity);}*_finish = x;++_finish;}

我们进行尾插的数据类型 T既有可能是内置类型，也有可能是自定义类型，对于内置类型，我们可以不传引用，但是对于自定义类型必须传引用。

我们传了引用，在函数中可能会导致x的值发生变化，我们加上const表示x是只读的。

 

 假如我们的元素数和容量相等，表示我们需要扩容了，又因为capacity的初始化值可能为0，所以我们使用三目操作符，假如capacity为0时，我们把4赋给newCapacity,然后调用reserve函数进行扩容。

判断并执行扩容之后，接下来，进行尾插元素，我们的迭代器可以理解为指针 ，我们在_finish插入元素x，再++_finish即可。

特殊情况：

 当我们的vector没有一个元素，我们进行尾插时，我们的newcapacity就被设置为4，然后我们调用reserve函数进行扩容：

 这时候，因为我们vector中的元素实际为空，所以我们并不需要进行内存拷贝，所以我们可以优化一下reserve函数

void reserve(size_t n){if (n > capacity()){T*tmp = new T*[n];if (_start){memcpy(tmp, _start, sizeof(T)*size());delete[] _start;}_start = tmp;_finish = _start + size();_endofstorge = _start + n;}}

接下来，我们测试之前写的代码是否有误。

测试代码

using namespace std;
#include<iostream>
#include"vector.h"
void test_vector1()
{bit::vector<int> v;v.push_back(1);v.push_back(2);v.push_back(3);v.push_back(4);cout << v.capacity() << endl;cout << v.size() << endl;
}
int main()
{test_vector1();return 0;
}

报错的原因在我们的reserve函数上：

 

 

我们画图进行解释：

 

 我们让_start指向tmp对应的空间：

 这时候，我们的_start和_finish不在同一块空间内，我们调用size函数：

 两块不同的空间进行相加减的值是未知的，我们接下来会对_finsh进行解引用，就会报错。

我们可以这样处理：

 我们可以先处理finish，画图进行解释：

我们先处理finish

 size函数表示_finish和_start相减，两个指针相减的结果是两个指针区域指向的相同数据的数目，是整型，我们让tmp+_finish.

 这时候，我们再把tmp赋值给_start。

这时候就没有什么问题了，我们继续测试：

 

 const修饰的begin和end

我们发现，begin和end都有两个接口函数，分别是const和非const。

 

 这两个const有什么区别吗？

答：第二个const：假如调用begin()函数的对象用const修饰了，我们就调用这个begin()函数。

第一个const：我们用const对象调用begin函数，返回的迭代器也用const修饰。

const iterator begin() const{return _start;}const iterator end() const{return _finish;}

const修饰的[]

const T&operator[](size_t pos) const{assert(pos < size());return _start[pos];}

empty函数：

bool empty() const{return _start == _finish;}

当_start和_finsh相等时，也就是当_start=_finsh=nullptr时，vector对象为空。

resize：

void resize(size_t n, T val = T()){if (n>capacity()){reserve(n);}if (n > size()){while (_finish < _start + n){*_finish = val;++_finish;}}else{_finish = _start + n;}}

 

这里的缺省值可以写0吗？

答：不行，对于内置类型，我们可以用0初始化，但是vector存储的数据既有可能是内置类型，也有可能是自定义类型，而对于自定义类型，我们不能用0去初始化。

 

 我们首先判断n是否大于capacity，如果大于我们需要进行扩容。

 判断n是否大于size，大于时需要填元素，我们调用循环把val填入到vector中。

 这里表示n小于size，所以我们需要元素，我们可以直接修改_finish的值，就能达到删除数据的目的。

尾删

void pop_back(){_finish--;}

我们直接让_finish--来删除数据。

不断的尾删会导致什么样的结果：

using namespace std;
#include<windows.h>
#include<iostream>
#include"vector.h"
void test_vector1()
{bit::vector<int> v;v.push_back(1);v.push_back(2);v.push_back(3);v.push_back(4);while (1){v.pop_back();cout << v.size() << endl;Sleep(100);}
}
int main()
{test_vector1();return 0;
}

我们进行运行：

 因为我们的size是无符号类型，所以不断的进行尾删之后，size反而变成一个非常大的数据了。

我们调用库里面的尾删函数进行尝试：

using namespace std;
#include<vector>
#include<windows.h>
#include<iostream>
//#include"vector.h"
void test_vector1()
{vector<int> v;v.push_back(1);v.push_back(2);v.push_back(3);v.push_back(4);while (1){v.pop_back();cout << v.size() << endl;Sleep(100);}
}
int main()
{test_vector1();return 0;
}

我们发现，库里面报的错误是断言错误，所以我们可以仿照库的写法对尾删函数进行完善：

 

void pop_back(){assert(_finish >= _start);_finish--;}

insert：

void insert(iterator pos, const T& val){if (_finish == _endofstorge){size_t newcapacity = capacity() == 0 ? 4 : capacity() * 2;reserve(newcapacity);}iterator end = _finish - 1;while (end >= pos){*(end + 1) = *end;--end;}*pos = val;++_finish;}

insert表示我们从pos位置处插入元素val。

为什么这里要加上const和&？

答：首先，必须加上引用，因为我们insert插入的极有可能是内置类型，也有可能是自定义类型，传参的过程本质是一个拷贝，对于自定义类型的深拷贝效率太低，消耗很大，所以我们通过传引用来传参，传引用的话我们就要限制函数内部，禁止对val进行修改，所以要加上const。

 

首先，我们要判断是否需要扩容。

 

我们的思路是这样的，先把pos位置后的数据全部往后面挪动一个位置，然后才填数据。 

 我们对insert函数进行实验：

using namespace std;
//#include<vector>
#include<windows.h>
#include<iostream>
#include<assert.h>
#include"vector.h"
void test_vector1()
{bit::vector<int> v;v.push_back(1);v.push_back(2);v.push_back(3);v.push_back(4);bit::vector<int>::iterator it = v.end();v.insert(it, 15);for (auto s : v){cout << s << " ";}cout << endl;
}
int main()
{test_vector1();return 0;
}

我们在调试时发现两处异常：

异常1：

我们发现，编译器会一直执行while循环，不会终止。

异常2：

 

 我们进行的是尾插，pos与_finish的值却不相等。

这些问题是扩容的问题：

扩容导致了迭代器失效：

 因为我们只有我们的capacity和size都为4，我们要插入元素就需要扩容，我们的pos的值和_finish是相等的。

 

 我们的原空间被销毁，所以pos迭代器就失效了，pos和_finish无法比较大小，所以while死循环，pos位置已经被释放了所以无法被继续访问。

我们要做的就是更新pos：

void insert(iterator pos, const T& val){assert(pos <= _finish);assert(pos >= _start);if (_finish == _endofstorge){size_t len = pos - _start;size_t newcapacity = capacity() == 0 ? 4 : capacity() * 2;reserve(newcapacity);pos = _start + len;}iterator end = _finish - 1;while (end >= pos){*(end + 1) = *end;--end;}*pos = val;++_finish;}

我们思考一个问题：insert之后的迭代器还能继续使用吗？

如代码所示：

 

答：最好不要，首先，只要我们因为调用insert而导致扩容，就会导致迭代器失效，it位置已经被释放。

许多人会有疑问：我们不是已经解决了迭代器失效了吗？

 

我们只是保证函数能正常使用，但是并没有保证迭代器没有失效：如图：

 

我们调用insert传参传递的it是传值传参，pos只是it的拷贝，pos值的修改并不影响it的变化，所以迭代器it还是失效了 。

那为什么insert函数不传引用传递第一个参数呢？

如图：

为什么不这样写呢？

 答：因为限制条件太多 ,例如：

 假如我们这样调用函数时，因为我们是传引用，我们的v.begin()是调用begin函数的返回值，是一个临时变量，临时变量具有常数属性，我们无法把临时变量当作参数调用insert函数。

所以，调用insert(pos,val)之后，pos对应的迭代器最好不要再使用。

标准库里面的find函数：

void test_vector1()
{bit::vector<int> v;v.push_back(1);v.push_back(2);v.push_back(3);v.push_back(4);bit::vector<int>::iterator it = find(v.begin(), v.end(), 3);if (it != v.end()){v.insert(it, 30);}for (auto s : v){cout << s << " ";}cout << endl;
}

我们进行运行：