迭代器失效和支持随机访问的容器总结

创作活动

迭代器失效：

顺序容器（如vector、deque、list）
- vector
  - 插入操作：
    - 当在vector中间或头部插入元素时，所有位于插入点之后的迭代器都会失效。这是因为vector的元素在内存中是连续存储的，插入元素可能会导致内存重新分配和元素的移动。例如，有一个vector<int> v = {1,2,3,4,5};，如果执行v.insert(v.begin() + 2, 6);（在索引为 2 的位置插入 6），那么从v.begin()+2之后的迭代器（包括指向 3、4、5 的迭代器）都将失效。
    - 如果插入操作没有导致内存重新分配（例如在vector的尾部插入元素，且当前容量足够），那么只有指向插入位置的迭代器会失效。
  - 删除操作：
    - 当删除vector中的元素时，所有指向被删除元素及其之后元素的迭代器都会失效。例如，对于vector<int> v = {1,2,3,4,5};，如果执行v.erase(v.begin() + 2);（删除索引为 2 的元素），那么指向 3、4、5 的迭代器都将失效。
- deque
  - 插入操作：
    - 在deque中间插入元素时，指向插入位置及其之后元素的迭代器会失效。deque是双端队列，它的内部实现是分段存储的，插入操作可能会导致部分元素的重新排列。例如，在一个deque中间插入元素后，该位置之后的元素可能会被移动到新的段或者在当前段内重新排列。
  - 删除操作：
    - 删除deque中的元素时，指向被删除元素及其之后元素的迭代器会失效。和插入操作类似，因为元素的删除可能会导致剩余元素的重新排列。
- list
  - 插入和删除操作：
    - 对于list，插入和删除操作只会使指向被插入或删除元素的迭代器失效。这是因为list是链表结构，元素在内存中不是连续存储的。插入或删除一个节点只影响该节点及其相邻节点的链接关系。例如，有一个list<int> l = {1,2,3,4,5};，如果执行l.insert(l.begin() + 2, 6);（在第二个位置插入 6），只有指向原来第二个位置元素（2）的迭代器可能会失效（如果之前有保存该迭代器的话），其他迭代器仍然有效。同样，对于l.erase(l.begin() + 2);（删除第二个位置的元素），只有指向被删除元素的迭代器失效。
关联容器（如map、set、multimap、multiset）
- 插入操作：
  - 在关联容器中插入元素不会使已有的迭代器失效。这是因为关联容器（如红黑树实现的map和set）在插入新元素时，通过调整树的节点链接来保持平衡，而不会改变已有节点的地址。例如，对于一个map<int, int> m;，插入新的键值对后，之前获取的指向其他键值对的迭代器仍然有效。
- 删除操作：
  - 当删除关联容器中的元素时，只有指向被删除元素的迭代器会失效。因为删除一个节点只会影响该节点本身，而不会改变其他节点的地址。例如，在一个set<int> s = {1,2,3,4,5};中，执行s.erase(s.find(3));（删除元素 3），只有指向 3 的迭代器失效，指向 1、2、4、5 的迭代器仍然有效。
无序关联容器（如unordered_map、unordered_set等）
- 插入操作：
  - 一般情况下，插入元素不会使已有的迭代器失效。但是如果插入操作导致容器的哈希表进行了重新哈希（例如，当容器的负载因子超过一定阈值时），所有的迭代器都会失效。这种情况相对较少，但在使用时需要注意。
- 删除操作：
  - 删除元素时，只有指向被删除元素的迭代器会失效。和关联容器类似，因为删除一个桶中的元素通常不会影响其他桶中的元素和迭代器。例如，在一个unordered_set<int> us = {1,2,3,4,5};中，执行us.erase(3);，只有指向 3 的迭代器失效。

支持随机访问的容器：

支持随机访问的容器
- vector（动态数组）
  - 存储结构：
    - vector在内存中是连续存储的元素序列，就像一个普通的数组。例如，vector<int> v = {1,2,3,4,5};在内存中是依次排列的，每个元素紧挨着前一个元素。这种连续存储方式使得它能够通过计算偏移量来快速访问元素。
  - 访问方式：
    - 可以使用[]运算符或者at()函数进行随机访问。例如，要访问v中的第三个元素，可以使用v[2]或者v.at(2)（注意at()函数会进行边界检查，[]运算符不会）。这种访问方式的时间复杂度是，因为可以直接通过计算元素的内存地址来获取元素。比如，对于一个vector对象v，第n个元素的地址可以通过&v[0]+n来计算（在符合语法规则的情况下）。
  - 迭代器支持：
    - vector的迭代器是随机访问迭代器，支持算术运算。例如，可以通过it + n或者it - n来移动迭代器n个位置，其中it是vector的迭代器。这使得在遍历vector或者在其中进行元素查找等操作时更加灵活。比如，可以用vector<int>::iterator it = v.begin(); it += 3;来快速定位到v中的第四个元素（索引为 3）。
- array（固定大小数组）
  - 存储结构：
    - 和vector类似，array也是连续存储元素的容器。不过，array的大小在编译时就确定了，不能动态改变。例如，array<int, 5> a = {1,2,3,4,5};的大小始终是 5 个元素，并且在内存中是连续排列的。
  - 访问方式：
    - 同样可以使用[]运算符或者at()函数进行随机访问，访问时间复杂度也是。例如，a[2]可以获取a中的第三个元素。因为其存储结构的连续性，计算元素地址的方式和vector类似。
  - 迭代器支持：
    - array的迭代器也是随机访问迭代器，支持算术运算。例如，可以像操作vector的迭代器一样，通过it + n或者it - n来移动array的迭代器n个位置，方便对array中的元素进行遍历和操作。
不支持随机访问的容器
- list（双向链表）
  - 存储结构：
    - list是由一系列节点组成的双向链表。每个节点包含数据元素以及指向前一个节点和后一个节点的指针。例如，对于list<int> l = {1,2,3,4,5};，元素 1 的节点包含指向元素 2 节点的后向指针和nullptr（如果是头节点）的前向指针，元素 2 的节点包含指向元素 1 节点的前向指针和指向元素 3 节点的后向指针，以此类推。
  - 访问方式：
    - 不能像vector和array那样直接通过索引来访问元素。要访问list中的元素，通常需要从链表的头部或者某个已知位置开始，逐个节点地遍历。例如，要找到l中的第三个元素，可能需要从l.begin()开始，使用迭代器++操作符移动两次才能找到。这种访问方式的时间复杂度是，其中n是要访问的元素位置与起始位置的距离。
  - 迭代器支持：
    - list的迭代器是双向迭代器，不支持像随机访问迭代器那样的算术运算。只能通过++和--操作符来向前或者向后移动迭代器。例如，给定一个list<int>的迭代器it，不能使用it + 3这样的操作来移动迭代器，而只能通过it++; it++; it++;这样的方式来移动 3 个位置。
- forward_list（单向链表）
  - 存储结构：
    - forward_list是单向链表，每个节点只包含一个指向下一个节点的指针。例如，对于forward_list<int> fl = {1,2,3,4,5};，元素 1 的节点包含指向元素 2 节点的指针，元素 2 的节点包含指向元素 3 节点的指针，以此类推。
  - 访问方式：
    - 和list类似，不能通过索引直接访问元素，需要从链表头部开始逐个节点地遍历。由于是单向链表，只能向前遍历。访问特定元素的时间复杂度也是，其中n是要访问的元素位置与起始位置的距离。
  - 迭代器支持：
    - forward_list的迭代器是前向迭代器，只能使用++操作符向前移动迭代器。不能进行--操作，也不支持算术运算。例如，要遍历forward_list，只能通过for (auto it = fl.begin(); it!= fl.end(); ++it)这样的方式来进行。
- map、set及其关联容器（基于树结构）
  - 存储结构：
    - 以map为例，通常是基于红黑树实现的。map中的元素是以键值对的形式存储的，键是唯一的，并且按照一定的顺序（默认是升序）排列在树中。例如，对于map<int, int> m = {{1,10},{2,20},{3,30}};，这些键值对在红黑树中按照键的大小进行排序。
  - 访问方式：
    - 不能通过索引进行随机访问。一般通过键来查找元素，时间复杂度是，其中n是容器中的元素数量。例如，要查找m中键为 2 的元素，可以使用m.find(2)，它会在红黑树中进行对数时间复杂度的查找。
  - 迭代器支持：
    - 迭代器是双向迭代器（对于map和set），可以使用++和--操作符来遍历容器中的元素。但是不支持算术运算，因为元素在树中的存储位置不是像数组那样连续的，不能通过简单的偏移量来计算元素位置。例如，在遍历map时，迭代器会按照键的顺序依次访问元素。