Vector的学习

vector简介

vector的相关文档对于想深入了解的同学可以参考这个文档进行学习。

  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。

vector的简单说明

vector学习时一定要学会查看文档，vector在实际中非常的重要，在实际中我们熟悉常见的接口并学会使用就可以。下面我将介绍一些常用的接口，大多数的使用跟string一样。
注意：vector的使用要包含头文件include<vector>

vector的定义

请添加图片描述

1.默认构造函数：
vector()

  • 解释：构造一个没有元素的空容器。
  • 示例：
#include<iostream>
#include<vector>
using namespace std;int main()
{vector<int> v;  //构造一个空的int的vectorreturn 0;
}

2.有初始值的构造函数
vector（size_type n, const value_type& val = value_type()）

  • 解释：构造一个n个大小空间的vector，并且每个值都初始化成val
  • 示例：
vector<int> v(5, 2);

上述示例，创建了一个包含5个元素，并且每个值都是2的整形类型的vector。

3.范围构造函数

template <class InputIterator>
vector (InputIterator first, InputIterator last,const allocator_type& alloc = allocator_type());
  • 解释：构造一个容器，其元素数与范围 [first，last) 一样多，每个元素按相同的顺序从该范围中的相应元素构造
  • 示例：
void test_vector1()
{int arr[] = { 1,2,3,4,5 };vector<int> v(arr, arr + 5);for (auto e : v){cout << e << " ";  //1 2 3 4 5}
}

创建一个包含数组中所有元素的整数类型的vector

4.拷贝构造函数
vector (const vector& x);

  • 解释：构造一个容器，其中包含 x 中每个元素的副本，顺序相同
  • 示例：
int main()
{vector<int> v1(5, 2);  //创建一个包含5个元素，每个元素都是2的整形类型的vectorvector<int> v2(v1);  //创建一个与v1相同的vector——v2for (auto e : v2){cout << e << " ";  //2 2 2 2 2}
}

vector的使用

1.迭代器

begin()和end()
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  • 解释：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
  • 示例：
void test_vector2()
{// const对象使用const迭代器进行遍历打印vector<int> v(5,10);vector<int>::const_iterator it = v.begin();//auto it = v.begin();while (it != v.end()){cout << *it << " ";  //10 10 10 10 10++it;}cout << endl;
}

rbegin()和rend()
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  • 解释：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
  • 示例：
void test_vector2()
{// 使用列表方式初始化，C++11新语法vector<int> v{ 1,2,3,4,5 };vector<int>::reverse_iterator rit = v.rbegin();//auto rit = v.rbegin();while (rit != v.rend()){cout << *rit << " ";  //5 4 3 2 1rit++;}
}

迭代器的示例：
请添加图片描述

2.vector的增删改查操作

push_back
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  • 解释：push_back用于在vector的尾部插入一个新的元素。跟string的用法一样其中，value_type表示vector中存储的元素类型，val是要插入的新元素。
  • 示例：
void test_vector3()
{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 << " ";  //1 2 3 4++it;}
}

pop_back
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  • 解释：删除vector的最后一个元素。相当于尾删。注意：如果容器为空，使用pop_back会产生未定义的行为。所以在用之前，要判断vector是否为空。
  • 示例：（接上面的代码）
void test_vector3()
{v.pop_back();v.pop_back();it = v.begin();cout << "尾删后的元素是：";while (it != v.end()){cout << * it << " ";  //尾删后的元素是：1 2++it;}
}

find
首先我们来看一下STL中的find操作。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find
请添加图片描述

  • 解释：在[first,last)这个范围内查找val，如果找到，会返回一个迭代器。
  • 示例：
void test_vector4()
{vector<int> v{ 1,3,5,7,9,2,4,6,8 };auto p = find(v.begin(), v.end(), 8);  //p的类型是int*的指针cout << *p << endl;  //8
}

insert
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iterator insert (iterator position, const value_type& val);

  • 解释：在positions位置之前插入val
    void insert (iterator position, size_type n, const value_type& val);
  • 解释：在position位置之前插入n个val
    void insert (iterator position, InputIterator first, InputIterator last);
  • 解释：在position位置之前插入[first,last)这个范围内的数据
  • 示例：
void test_vector5()
{vector<int> v1(3, 20);  //创建一个包含3个元素，每个元素都是20的vectorvector<int>::iterator it;it = v1.begin();it = v1.insert(it, 40);  //在it之前插入40for (auto e : v1){cout << e << " ";  //40 20 20 20}cout << endl;v1.insert(it, 3, 5);  //在it之前插入3个元素都是5的数据for (auto e : v1){cout << e << " ";  //5 5 5 40 20 20 20}cout << endl;vector<int> v2(3, 1);  //创建一个包含3个元素，每个元素都是1的vectorint array[] = { 11, 12, 13, 14, 15 };v2.insert(v2.begin(), array, array + 3);  //在v2.begin()之前插入array数组中前3个元素for (auto e : v2){cout << e << " ";  //11 12 13 1 1 1}cout << endl;}

erase
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iterator erase (iterator position);

  • 解释：在position这个位置进行删除数据。该函数返回一个指向被删除元素之后元素的迭代器。注意：position要使用迭代器形式
    iterator erase (iterator first, iterator last);
  • 解释：删除指定范围内的元素，如[first,last)区间内的元素。并返回一个指向最后一个被删除元素之后元素的迭代器。注意：first和last要使用迭代器形式
  • 示例：
void test_vector6()
{vector<int> v{ 5,4,3,2,1 };v.erase(v.begin() + 2);for (auto e : v){cout << e << " ";  //5 4 2 1}cout << endl;vector<int> v1{ 5,4,3,2,1 };v1.erase(v1.begin() + 1, v1.begin() + 3);for (auto e : v1){cout << e << " ";  //5 2 1//注意是左闭右开区间，所以删除的是下标为1和2位置的元素}
}

3.vector的访问操作

operator[]
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  • 解释：它可以像数组一样进行访问。它的语法是vector_name[index]，其中vector_name是vector的名称，index是要访问的元素的索引。索引从0开始，表示vector中的第一个元素。
  • 示例：
void test_vector7()
{vector<int> v{ 5,4,3,2,1 };//访问操作cout << v[3] << endl;  //2//修改操作v[3] = 9;cout << v[3] << endl;  //9
}

empty
bool empty() const;

  • 解释：检查vector是否为空，为空返回1，不为空时返回0。
  • 示例：
void test_vector7()
{vector<int> v;int i = v.empty();cout << i << endl;if (v.empty())  //vector为空{cout << "The vector is empty" << endl;}else{cout << "The vector is not empty" << endl;}v.push_back(3);if (v.empty())  //vector不为空,{cout << "The vector is empty" << endl;}else{cout << "The vector is not empty" << endl;}
}

back和front
请添加图片描述
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  • 解释：back返回的是容器中最后一个元素的引用，即最后一个元素的值。而front()是vector容器的一个成员函数，返回的是容器中第一个元素的值。
  • 示例：
void test_vector8()
{vector<int> v{ 5,4,3,2,1 };cout << v.front() << endl;  //5cout << v.back() << endl;  //1auto it1 = v.begin();auto it2 = v.end();cout << *it1 << endl;  //5cout << *it2 << endl;  //程序崩溃。因为end是最后一个元素的下一个位置
}

4.vector的容量操作

size
size_type size() const;

  • 解释：获取数据个数
  • 示例：
void test_vector9()
{vector<int> v;cout << "0. size: " << v.size() << '\n';  //0. size: 0for (int i = 0; i < 10; i++){v.push_back(i);}cout << "1. size: " << v.size() << '\n';  //1. size: 10v.insert(v.end(), 10, 100);cout << "2. size: " << v.size() << '\n';  //2. size: 20v.pop_back();cout << "3. size: " << v.size() << '\n';  //3. size: 19
}

capacity
size_type capacity() const;

  • 解释：获取容量大小
  • 示例：
void test_vector10()
{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';}}
}

结果：(这是在vs2019下运行的，不同的编译器结果会有不同)

making v grow:
capacity changed: 1
capacity changed: 2
capacity changed: 3
capacity changed: 4
capacity changed: 6
capacity changed: 9
capacity changed: 13
capacity changed: 19
capacity changed: 28
capacity changed: 42
capacity changed: 63
capacity changed: 94
capacity changed: 141

vs下使用的STL基本是按照1.5倍方式扩容.

resize
void resize (size_type n, value_type val = value_type());

  • 解释：调整容器的大小，使其包含 n 个元素。简单来说是改变vector的size。
  • resize函数有2种情况：
    情况1
  • 如果 n 小于当前容器大小，则内容将减少到其前 n 个元素，删除超出（并销毁它们）的元素。
    情况2
  • 如果 n 大于当前容器大小，则通过在末尾插入所需数量的元素来扩展内容，以达到 n 的大小。如果指定了 val，则新元素将初始化为 val 的副本，否则，它们将进行值初始化。
  • 示例：
void test_vector11()
{vector<int> myvector;// set some initial content:for (int i = 1; i <= 10; i++){myvector.push_back(i);}myvector.resize(5);myvector.resize(8, 100);myvector.resize(12);cout << "myvector contains:";for (int i = 0; i < myvector.size(); i++){cout << ' ' << myvector[i];  //myvector contains: 1 2 3 4 5 100 100 100 0 0 0 0}
}

代码解释：先对myvector尾插了10个数据，然后使用resize将大小调整为5，所以只保留前5个元素；第2个resize是将大小调整为8，并且用100进行扩展，由于n从5变成8，所以有3个100；第3个resize是将n从8变成12，由于没有val，所以剩余的元素用0进行扩展。

reserve
void reserve (size_type n);

  • 解释：改变vector的capacity
  • 示例：
void test_vector12()
{vector<int>::size_type sz;vector<int> foo;sz = foo.capacity();cout << "making foo grow:\n";for (int i = 0; i < 100; ++i) {foo.push_back(i);if (sz != foo.capacity()) {sz = foo.capacity();cout << "capacity changed: " << sz << '\n';}}vector<int> bar;sz = bar.capacity();bar.reserve(100);   // this is the only difference with foo abovecout << "making bar grow:\n";for (int i = 0; i < 100; ++i) {bar.push_back(i);if (sz != bar.capacity()) {sz = bar.capacity();cout << "capacity changed: " << sz << '\n';}}
}

结果：(这是在vs2019下运行的，不同的编译器结果会有不同)

making foo grow:
capacity changed: 1
capacity changed: 2
capacity changed: 3
capacity changed: 4
capacity changed: 6
capacity changed: 9
capacity changed: 13
capacity changed: 19
capacity changed: 28
capacity changed: 42
capacity changed: 63
capacity changed: 94
capacity changed: 141
making bar grow:
capacity changed: 100

vector迭代器失效的问题（重点）

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。
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);/*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;return 0;
}
  1. 指定位置元素的删除操作–erase
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。
现在来看一个案例：删除vector中所有的偶数。

  • 先看错误写法
#include <iostream>
using namespace std;
#include <vector>int main()
{vector<int> v{ 1, 2, 3, 4 };auto it = v.begin();// vs2019进行强制检查，erase以后认为it失效了，不能访问，访问就报错while (it != v.end()){if (*it % 2 == 0)v.erase(it);++it;}return 0;
}

请添加图片描述

这是模拟实现vector中erase的写法，上面的图片中画出了出错的原因，同学们可以参考一下

  • 正确写法
int main()
{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;
}
  1. 与vector类似，string在插入+扩容操作+erase之后，迭代器也会失效
#include <string>
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;}
}

迭代器失效解决办法：在使用前，对迭代器重新赋值即可
注意：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.

vector深度剖析及模拟实现

std::vector的核心框架接口的模拟实现bit::vector

vector的模拟实现

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？

int main()
{bite::vector<bite::string> v;v.push_back("1111");v.push_back("2222");v.push_back("3333");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. 如果拷贝的是内置类型的元素，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。
    请添加图片描述
    请添加图片描述

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.

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