C++STL库中的vector

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文章目录

• vector的介绍及使用
• vector深度剖析及模拟实现
• 动态二维数组理解

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一、vector的介绍及使用

1.vector的介绍

• 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

2.vector的使用

vector的构造函数

default (1)	explicit vector (const allocator_type& alloc = allocator_type()); 无参构造
fill (2)	explicit vector (size_type n, const value_type& val = value_type(), const allocator_type& alloc = allocator_type()); 构造并初始化n个val
range (3)	template <class InputIterator> vector (InputIterator first, InputIterator last, const allocator_type& alloc = allocator_type()); 使用迭代器进行初始化构造
copy (4)	vector (const vector& x); 拷贝构造

#include <iostream>
#include <vector>int main()
{std::vector<int> v1;std::vector<int>v2(20, 2);std::vector<int> v3(v2.begin(), v2.end());std::vector<int> v4(v3);return 0;
}

 vector iterator 的使用

begin                                                返回指向第一个元素的迭代器

end                                                   返回指向最后一个元素的迭代器

rbegin                                                序列容器的反向开头的反向迭代器。

rend                                                   将反向迭代器返回到反向端（公共成员函数）    

cbegin                                                将const_iterator返回到开头（公共成员函数）

cend                                                   返回const_iterator以结束（公共成员函数）

crbegin                                        将const_reverse_iterator返回到反向开头（公共成员函数）

crend                                           将const_reverse_iterator返回到反向端（公共成员函数）

#include <iostream>
#include <vector>int main()
{std::vector<int> v;v.push_back(1);v.push_back(2);v.push_back(3);v.push_back(4);for (int i = 0; i < v.size(); i++) std::cout << v[i] << " ";std::cout << std::endl;for (std::vector<int>::iterator it = v.begin(); it != v.end(); it++) std::cout << *it << " ";std::cout << std::endl;for (std::vector<int>::reverse_iterator it = v.rbegin(); it != v.rend(); it++) std::cout << *it << " ";std:: cout << std::endl;for (auto x : v) std::cout << x << " ";return 0;
}

vector 空间增长问题

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

resi                                                                 改变vector的size

reserve                                                          改变vector的capacity

resize函数：开空间并进行初始化

#include <iostream>
#include <vector>int main()
{std::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);std::cout << "v contains:";for (size_t i = 0; i < v.size(); i++)std::cout << ' ' << v[i];std::cout << '\n';return 0;
}

 reserve函数：只开空间不做其他操作

#include <iostream>
#include <vector>int main()
{std::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std::cout << "making bar grow:\n";for (int i = 0; i < 100; ++i){v.push_back(i);if (sz != v.capacity()){sz = v.capacity();std::cout << "capacity changed: " << sz << '\n';}}return 0;
}

• 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。

 内存扩容机制在vs下

#include <iostream>
#include <vector>// 测试vector的默认扩容机制
void TestVectorExpand()
{size_t sz;std::vector<int> v;sz = v.capacity();std::cout << "making v grow:\n";for (int i = 0; i < 100; ++i){v.push_back(i);if (sz != v.capacity()){sz = v.capacity();std::cout << "capacity changed: " << sz << '\n';}}
}int main()
{TestVectorExpand();return 0;
}

 vector 增删查改

vector增删查改                                         接口说明

push_back                                                  尾插

pop_back                                                     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

operator[]                                           像数组一样访问

back                                                   返回容器中最后一个元素的引用

front                                                   返回容器中第一个元素的引用

#include <iostream>
#include <vector>// 尾插和尾删：push_back/pop_back
void TestVector4()
{std::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()){std::cout << *it << " ";++it;}std::cout << std::endl;v.pop_back();v.pop_back();it = v.begin();while (it != v.end()){std::cout << *it << " ";++it;}std::cout << std::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std::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);}std::vector<int>::iterator it = v.begin();while (it != v.end()){std::cout << *it << " ";++it;}std::cout << std::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()) {std::cout << *it << " ";++it;}std::cout << std::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()
{std::vector<int> v{ 1, 2, 3, 4 };// 通过[]读写第0个位置。v[0] = 10;std::cout << v[0] << std::endl;// 1. 使用for+[]小标方式遍历for (size_t i = 0; i < v.size(); ++i)std::cout << v[i] << " ";std::cout << std::endl;std::vector<int> swapv;swapv.swap(v);std::cout << "v data:";for (size_t i = 0; i < v.size(); ++i)std::cout << v[i] << " ";std::cout << std::endl;// 2. 使用迭代器遍历std::cout << "swapv data:";auto it = swapv.begin();while (it != swapv.end()){std::cout << *it << " ";++it;}// 3. 使用范围for遍历for (auto x : v)std::cout << x << " ";std::cout << std::endl;
}int main()
{TestVector4();TestVector5();TestVector6();return 0;
}

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：

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>int main()
{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。*/it = v.begin();//必须进行重新复制不然程序崩溃while (it != v.end()){std::cout << *it << " ";++it;}std::cout << std::endl;return 0;
}

2.指定位置进行插入操作--insert

#include<iostream>
#include<vector>int main()
{std::vector<int> v;v.push_back(1);v.push_back(2);v.push_back(3);std::vector<int>::iterator pos = find(v.begin(), v.end(), 2);if (pos != v.end()) {//如果此时在pos位置继续插入的话需要将此时的pos位置更新因为插入了20之后正好vector进行了扩容操作pos=v.insert(pos,20);}v.insert(pos, 50);//std::cout << *pos << std::endl;//*pos = 200;for (auto x : v)std::cout << x << " ";return 0;
}

 3.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。

以下代码的功能是删除vector中所有的偶数，请问那个代码是正确的，为什么？

#include <iostream>
#include <vector>//第一份代码：
//int main()
//{
//	std::vector<int> v{ 1, 2, 3, 4 };
//	auto it = v.begin();
//	while (it != v.end())
//	{
//		if (*it % 2 == 0)
//			v.erase(it);
//		++it;
//	}
//
//	return 0;
//}//第二份代码
int main()
{std::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;}return 0;
}

二、vector深度剖析及模拟实现

1.vector的模拟实现

vector的结构

namespace Vector
{template<class T>class vector{public:typedef T* iterator;typedef const T* const_iterator;iterator begin() { return _start; }iterator end() { return _finish; }const_iterator begin() const { return _start; }const_iterator end() const { return _finish; }private:iterator _start;iterator _finish;iterator _end_of_storage;public:/*******************************************************/// 默认成员函数vector(); // 无参构造函数template<class InputIterator>vector(InputIterator first, InputIterator last); // 使用迭代器初始化构造vector(const vector<T>& v); // 拷贝构造（深拷贝）void swap(vector<T>& v); // 交换两个容器的内容vector<T>& operator=(vector<T> v); // 赋值运算符重载（深拷贝）~vector();/*******************************************************/// 容量操作size_t size() const { return _finish - _start; } // 有效元素个数size_t capacity() const { return _end_of_storage - _start; } // 容量大小bool empty() const { return size(); } // 判空void reserve(size_t n); // 调整容器的容量大小（capacity）void resize(size_t n, const T& val = T()); // 调整容器的有效元素大小（size）/*******************************************************/// 访问操作，[]运算符重载T& operator[](const size_t pos);T& operator[](const size_t pos) const;/*******************************************************/// 修改操作iterator insert(iterator pos, const T& val = T()); // 在pos迭代器位置前插入元素iterator erase(iterator pos); // 删除pos迭代器位置的元素void push_back(const T& x); // 尾插void pop_back(); // 尾删};
}

vector的迭代器

namespace Vector
{template<class T>class vector{public:typedef T* iterator;typedef const T* const_iterator;iterator begin() { return _start; }iterator end() { return _finish; }const_iterator begin() const { return _start; }const_iterator end() const { return _finish; }private:iterator _start;          // 指向数组的开始iterator _finish;         // 指向最后一个有效元素的下一个位置iterator _end_of_storage; // 指向空间结束的下一个位置};
}

vector的默认成员函数

构造函数

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

拷贝构造函数

//传统写法1
// 拷贝构造（深拷贝）
// v2(v1)
vector(const vector<T>& v) :_start(new T[v.capacity()]), _finish(_start + v.size()), _end_of_storage(_start + v.capacity())
{memcpy(_start, v._start, sizeof(T) * v.size()); // 拷贝元素
}
// 拷贝构造（深拷贝），传统写法2
// v2(v1)
vector(const vector<T>& v) :_start(nullptr), _finish(nullptr), _end_of_storage(nullptr)
{reserve(v.capacity());  // 调整新容器容量大小（这样的好处是：一次性把空间开好，效率高）for (const auto& e : v) // 尾插元素到新容器中（复用push_back函数）push_back(e);
}//---------------------------------------------------------------------------------//现代写法
// 拷贝构造（深拷贝）
// v2(v1)
vector(const vector<T>& v) :_start(nullptr) // 当前对象是一个正在构造的对象，成员变量还未初始化，是一个随机值，所以先置空, _finish(nullptr), _end_of_storage(nullptr)
{vector<T> tmp(v.begin(), v.end()); // 拿v的内容，调用构造函数构造一个临时对象tmpthis->swap(tmp);                   // 将临时对象tmp和当前对象的成员变量分别进行交换
}

赋值运算符重载

//传统写法
// 赋值运算符重载（深拷贝）
// v2 = v1
vector<T>& operator=(const vector<T>& v)
{if (this != &v) // 防止自己给自己赋值{// 释放原空间delete[] _start; _start = _finish = _end_of_storage = nullptr;// 插入元素reserve(v.capacity()); // 调整容量大小for (const auto& e : v)push_back(e);_finish = _start + v.size();_end_of_storage = _start + v.capacity();}return *this;
}		//---------------------------------------------------------//现代写法
// 赋值运算符重载（深拷贝）
// v2 = v1
vector<T>& operator=(vector<T> v) // 通过传值传参，拷贝构造出临时对象
{this->swap(v); // 交换临时对象和当前对象的内容return *this;  // 返回当前对象
}

swap函数

//交换两个容器的内容
//swap函数方便实现拷贝构造和赋值重载的现代写法
// v1.swap(v2)
void swap(vector<T>& v)
{// 函数名冲突，指定去调用全局域里面的std::swapstd::swap(_start, v._start);std::swap(_finish, v._finish);std::swap(_end_of_storage, v._end_of_storage);
}

析构函数

~vector()
{delete[] _start;_start = _finish = _end_of_storage = nullptr;
}

vector的容量操作

size()、capacity()、empty()函数

size_t size() const // 有效元素个数
{return _finish - _start;
}size_t capacity() const // 容量大小
{return _end_of_storage - _start;
}bool empty() const // 判空
{return size();
}

reserve()函数

// 调整容器的容量大小（capacity）
void reserve(size_t n)
{if (n > capacity()) // 如果n大于当前 capacity 大小{size_t oldSize = size(); // 提前保存下旧空间size大小，便于后面更新_finishT* tmp = new T[n]; // 开辟并初始化新空间，n个T类型的对象if (_start){// void * memcpy ( void * destination, const void * source, size_t num );memcpy(tmp, _start, sizeof(T) * oldSize); // 旧空间元素拷贝到新空间（浅拷贝）delete[] _start; // 释放旧空间}_start = tmp; // 指向新空间_finish = _start + oldSize;   // 更新有效元素长度_end_of_storage = _start + n; // 更新容量}
}

vector的访问操作

// []运算符重载，普通版本和 const 版本
T& operator[](const size_t pos)
{assert(pos >= 0 && pos < size()); // 检查越界return _start[pos];
}T& operator[](const size_t pos) const
{assert(pos >= 0 && pos < size()); // 检查越界return _start[pos];
}

vector的修改操作

insert函数

        

iterator insert(iterator pos, const T& val = T())
{assert(pos >= _start && pos <= _finish);size_t len = pos - _start; // 记录下pos相对_start的长度if (_finish == _end_of_storage) // 先检查是否需要扩容{size_t newcapacity = capacity() == 0 ? 4 : 2 * capacity();reserve(newcapacity);// 注意：扩容后，pos还指向旧空间，pos位置迭代器已失效，需要重置pospos = _start + len; // 解决迭代器失效问题⭐}// 往后挪动元素for (iterator end = _finish; end > pos; end--){*end = *(end - 1);}*pos = val; // 在pos迭代器位置处插入元素_finish++;  // 有效元素长度+1return pos; // 返回指向第一个新插入元素的迭代器⭐// pos是传值传参，形参改变不会影响实参，所以更需要返回pos
}

erase函数

iterator erase(iterator pos)
{assert(pos >= _start && pos < _finish);// 往前挪动元素for (iterator it = pos + 1; it < _finish; it++){*(it - 1) = *it;}_finish--; // 有效元素长度-1return pos; // 返回指向被删除元素下一个位置的迭代器⭐
}

push_back()函数

void push_back(const T& x)
{//方法一if (_finish == _end_of_storage) // 先检查是否需要增容{size_t newcapacity = capacity() == 0 ? 4 : 2 * capacity();reserve(newcapacity);}*_finish = x; // 尾插元素_finish++;//方法二：复用 insert 函数的代码 insert(_finish, x);
}

pop_back()函数

void pop_back()
{//方法一assert(!empty());_finish--;//方法二：复用 erase 函数的代码 erase(--end());
}

2.vector的深浅拷贝问题

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？

#include <iostream>
#include <vector>void test()
{// memcpy值拷贝的问题Vector::vector<Vector::string> v;v.push_back("1111");v.push_back("2222");v.push_back("3333");for (auto& e : v)std::cout << e << std::endl;
}
//运行结果：程序崩溃int main()
{test();return 0;
}

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。

 

三、动态二维数组理解

以杨辉三角为例

//#include "vector.h"
//
//int main()
//{
//	return 0;
//}#include <iostream>
#include <vector>class Solution
{
public:std::vector<std::vector<int>> generate(int n){// 开辟和初始化杨辉三角存储空间std::vector<std::vector<int>> vv(n);for (size_t i = 0; i < vv.size(); i++){vv[i].resize(i + 1, 0);// 每一行第一个元素和最后一个元素初始化为1vv[i][0] = 1;vv[i][vv[i].size() - 1] = 1;}// 填充杨辉三角for (size_t i = 2; i < vv.size(); i++) // 从第3行开始for (size_t j = 1; j < vv[i].size() - 1; j++) // 从第2列开始vv[i][j] = vv[i - 1][j - 1] + vv[i - 1][j];return vv;}
};
int main()
{std::vector<std::vector<int>> res=Solution().generate(5);for (auto first : res) {for (auto second : first)std::cout << second << " ";std::cout << std::endl;}return 0;
}