【C++初阶】vector的使用

大家好我是沐曦希💕

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一.vector介绍

1. vector是表示可变大小数组的序列容器。
2. 就像数组一样，vector也采用的连续存储空间来存储元素。也就是意味着可以采用下标对vector的元素进行访问，和数组一样高效。但是又不像数组，它的大小是可以动态改变的，而且它的大小会被容器自动处理。
3. 本质讲，vector使用动态分配数组来存储它的元素。当新元素插入时候，这个数组需要被重新分配大小为了增加存储空间。其做法是，分配一个新的数组，然后将全部元素移到这个数组。就时间而言，这是一个相对代价高的任务，因为每当一个新的元素加入到容器的时候，vector并不会每次都重新分配大小。
4. vector分配空间策略：vector会分配一些额外的空间以适应可能的增长，因为存储空间比实际需要的存储空间更大。不同的库采用不同的策略权衡空间的使用和重新分配。但是无论如何，重新分配都应该是对数增长的间隔大小，以至于在末尾插入一个元素的时候是在常数时间的复杂度完成的。
5. 因此，vector占用了更多的存储空间，为了获得管理存储空间的能力，并且以一种有效的方式动态增长。
6. 与其它动态序列容器相比（deque, list and forward_list）， vector在访问元素的时候更加高效，在末尾添加和删除元素相对高效。对于其它不在末尾的删除和插入操作，效率更低。比起list和forward_list统一的迭代器和引用更好。

二、构造函数

(constructor)构造函数声明	接口说明
vector()（重点）	无参构造
vector（size_type n, const value_type& val = value_type()）	构造并初始化n个val
vector (const vector& x);	（重点） 拷贝构造
vector (InputIterator first, InputIterator last);	使用迭代器进行初始化构造

已经有了使用和模拟实现string的经验，直接上代码。

void test_vector1()
{vector<int> v1;  //无参构造vector<int> v2(5, 1);  //构造并初始化5个1vector<int> v3(v2);  //拷贝构造vector<int> v4(v3.begin(), v3.end());  //使用迭代器进行初始化构造
}

此外，对于vector和string的关系是无法替代的，string类中有一个接口c_str()，转化成C语言的字符串要以\0结尾，所以string类最后会有一个\0,在操作上+=,<<,>>等。而vector是保存字符的动态数组，不会以\0结尾，不保存\0，且vector是T泛型，所以并不存在谁替代谁。

三、遍历

1.[]

void test(const vector<int>& v)
{for (size_t i = 0; i < v.size(); ++i){//只读cout << v[i] << " ";}cout << endl;
}
void test_vector2()
{vector<int> v1;v1.push_back(1);v1.push_back(2);v1.push_back(3);v1.push_back(4);v1.push_back(5);for (size_t i = 0; i < v1.size(); ++i){//可读可写++v1[i];cout << v1[i] << " ";}cout << endl;test(v1);
}

2.迭代器

正向迭代器和反向迭代器

iterator的使用	接口说明
begin +end（重点）	获取第一个数据位置的iterator/const_iterator， 获取最后一个数据的下一个位置的iterator/const_iterator
rbegin + rend	获取最后一个数据位置的reverse_iterator，获取第一个数据前一个位置的reverse_iterator

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 test_vector3()
{// 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);
}

3.范围for

void test1(const vector<int>& v)
{for (auto e : v){//只读cout << e << " ";}cout << endl;
}
void test_vector4()
{vector<int> v;v.push_back(1);v.push_back(2);v.push_back(3);v.push_back(4);for (auto e : v){//可读可写++e;cout << e << " ";}cout << endl;test1(v);
}

四、容量操作

容量空间	接口说明
size	获取数据个数
capacity	获取容量大小
empty	判断是否为空
resize（重点）	改变vector的size
reserve （重点）	改变vector的capacity

其中，最重要的两个函数是 reserve 和 resize，reserve 只用于扩容，它不改变 size 的大小；而 resize 是扩容加初始化，既会改变 capacity，也会改变 size；
注意：reserve 和 resize，包括后面的 clear 函数都不会缩容，因为缩容需要开辟新空间、拷贝数据、释放旧空间，而对于自定义类型又有可能存在深拷贝问题，时间开销极大；vector 中唯一可能缩容的函数就只有 shrink_to_fit，对于它来说，如果 capacity 大于 size，它会进行缩容，让二者相等。

void test_vector5()
{vector<int> v;v.push_back(1);v.push_back(2);v.push_back(3);v.push_back(4);v.push_back(5);for (auto e : v){cout << e << " ";}cout << endl;cout << v.size() << endl;cout << v.capacity() << endl;v.resize(10, 1);for (auto e : v){cout << e << " ";}cout << endl;cout << v.size() << endl;cout << v.capacity() << endl;v.resize(3, 1);for (auto e : v){cout << e << " ";}cout << endl;cout << v.size() << endl;cout << v.capacity() << endl;v.reserve(10);for (auto e : v){cout << e << " ";}cout << endl;cout << v.size() << endl;cout << v.capacity() << endl;v.reserve(3);cout << v.size() << endl;cout << v.capacity() << endl;
}

1.扩容机制

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。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。

void test_vector6()
{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';}}
}

vs下:

Linux的g++下:

五、增删查改

vector增删查改	接口说明
push_back（重点）	尾插
pop_back （重点）	尾删
find	查找。（注意这个是算法模块实现，不是vector的成员接口）
insert	在position之前插入val
erase	删除position位置的数据
swap	交换两个vector的数据空间

• push_back和pop_back使用

void test_vector7()
{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;
}

• find
  find查找函数由算法库函数提供的一个函数模板，使用时需要包含algorithm头文件。
  

void test2()
{vector<int> v;v.push_back(10);v.push_back(20);v.push_back(30);v.push_back(40);v.push_back(50);vector<int>::iterator pos = find(v.begin(), v.end(), 30);//auto pos = find(v.begin(), v.end(), 30);if (pos != v.end()){cout << "找到了" << endl;cout << pos - v.begin() << endl;}else{cout << "没找到" << endl;}}

• insert和erase

void test_vector8()
{// 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;
}

• swap
  交换两个vector类对象的值。

void test_vector9()
{vector<int> v{ 1, 2, 3, 4 };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;cout << "swapv data:";for (auto e : swapv){cout << e << " ";}cout << endl;
}

六、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)。

vector可能引起迭代器失效操作：

• 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。

#include<iostream>
#include<vector>
using namespace std;
int main()
{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);while (it != v.end()){cout << *it << " ";++it;}cout << endl;return 0;
}

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。

it = v.begin();while (it != v.end()){cout << *it << " ";++it;}cout << endl;

• 2.指定位置元素的删除操作–erase

#include <iostream>
using namespace std;
#include <vector>
int main()
{int a[] = { 1, 2, 3, 4 };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return 0;
}

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。

• 3.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

#include<iostream>
#include<vector>
using namespace std;
// 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;
}

// 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
#include<iostream>
#include <vector>
#include <algorithm>
using namespace std;
int main()
{vector<int> v{1,2,3,4,5};vector<int>::iterator it = find(v.begin(), v.end(), 3);v.erase(it);return 0;
}

// 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
#include<iostream>
#include<vector>
using namespace std;
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;
}

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

#include<iostream>
#include <string>
using namespace std;
void TestString()
{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;}
}
int main()
{TestString();return 0;
}

迭代器失效解决办法：在使用前，对迭代器重新赋值即可,或者尽量避免使用传参给resize、reserve、insert、assign、push_back等迭代器。