【C++航海王：追寻罗杰的编程之路】vector

1 -> vector的介绍及使用

1.1 -> vector的介绍

1.2 -> vector的使用

1.2.1 -> vector的介绍

1.2.2 -> vector iterator的使用

1.2.3 -> vector空间增长问题

1.2.4 -> vector的增删查改

1.2.5 -> vector迭代器失效问题

2 -> vector的深度剖析及模拟实现

2.1 -> vector的模拟实现

2.2 -> 使用memcpy拷贝问题

2.3 -> 动态二维数组理解

1 -> vector的介绍及使用

1.1 -> vector的介绍

vector的文档介绍

vector是表示可变大小数组的序列容器；
像数组一样，vector也采用的连续存储空间来存储元素。也就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；
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，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时，vector并不会每次都重新分配大小；
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；
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；
与其他动态序列容器相比(deque, list and forward_list),vector在访问元素时更加高效，在，末尾添加和删除元素相对高效。对于其他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。

使用STL的三个境界：能用、明理、能扩展。

1.2 -> vector的使用

1.2.1 -> vector的介绍

构造函数声明	接口说明
vector()	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)	拷贝构造
vector(Inputlterator first, Inputlterator last)	使用迭代器进行初始化构造

#define _CRT_SECURE_NO_WARNINGS#include <iostream>
#include <vector>
using namespace std;int TestVector1()
{vector<int> first;vector<int> second(4, 100);vector<int> third(second.begin(), second.end());vector<int> fourth(third);int myints[] = { 16,2,77,29 };vector<int> fifth(myints, myints + sizeof(myints) / sizeof(int));cout << "The contents of fifth are:";for (vector<int>::iterator it = fifth.begin(); it != fifth.end(); ++it)cout << ' ' << *it;cout << endl;return 0;
}int main()
{TestVector1();return 0;
}

1.2.2 -> vector iterator的使用

iterator的使用	接口说明
begin + end	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_iteratorreverse_iterator

#define _CRT_SECURE_NO_WARNINGS#include <iostream>
#include <vector>
using namespace std;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 TestVector2()
{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);
}int main()
{TestVector2();return 0;
}

1.2.3 -> 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
resize	改变vector的size
reverse	改变vector的capacity

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。不要固化认为，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；
reverse只负责开辟空间，如果确定知道需要用多少空间，reverse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。

#define _CRT_SECURE_NO_WARNINGS#include <iostream>
#include <vector>
using namespace std;// 将有效元素个数设置为n个，如果时增多时，增多的元素使用data进行填充
// 注意：resize在增多元素个数时可能会扩容
void TestVector3()
{vector<int> v;for (int i = 1; i < 10; i++)v.push_back(i);v.resize(5);v.resize(8, 100);v.resize(12);cout << "v contains:";for (size_t i = 0; i < v.size(); i++)cout << ' ' << v[i];cout << endl;
}// 测试vector的默认扩容机制
// vs：按照1.5倍方式扩容
// linux：按照2倍方式扩容
void TestVectorExpand()
{size_t sz;vector<int> v;sz = v.capacity();cout << "making v grow:" << endl;for (int i = 0; i < 100; ++i){v.push_back(i);if (sz != v.capacity()){sz = v.capacity();cout << "capacity changed: " << sz << endl;}}
}// 往vecotr中插入元素时，如果大概已经知道要存放多少个元素
// 可以通过reserve方法提前将容量设置好，避免边插入边扩容效率低
void TestVectorExpandOP()
{vector<int> v;size_t sz = v.capacity();// 提前将容量设置好，可以避免一遍插入一遍扩容v.reserve(100);cout << "making bar grow:" << endl;for (int i = 0; i < 100; ++i){v.push_back(i);if (sz != v.capacity()){sz = v.capacity();cout << "capacity changed: " << sz << endl;}}
}int main()
{TestVector3();TestVectorExpand();TestVectorExpandOP();return 0;
}

1.2.4 -> vector的增删查改

vector增删查改	接口说明
push_back	尾插
pop_back	尾删
find	查找
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

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

1.2.5 -> 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、reverse、insert、assign、push_back等。

#define _CRT_SECURE_NO_WARNINGS#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);/*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;
}

2. 指定位置元素的删除 -> erase

#define _CRT_SECURE_NO_WARNINGS#include <iostream>
#include <vector>
using namespace std;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，理论上迭代器不会失效，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. 注意：Linux下，g++编译器对迭代器失效的检测不是非常严格，处理也没有vs下极端。

#define _CRT_SECURE_NO_WARNINGS#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;
}

#define _CRT_SECURE_NO_WARNINGS#include <iostream>
#include <vector>
using namespace std;// 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
int main()
{vector<int> v{ 1,2,3,4,5 };vector<int>::iterator it = find(v.begin(), v.end(), 3);v.erase(it);cout << *it << endl;while (it != v.end()){cout << *it << " ";++it;}cout << endl;return 0;
}

#define _CRT_SECURE_NO_WARNINGS#include <iostream>
#include <vector>
using namespace std;// 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
int main()
{vector<int> v{ 1,2,3,4,5 };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。

4. 与vector类似，string在插入+扩容操作+erase后，迭代器也会失效

#define _CRT_SECURE_NO_WARNINGS#include <iostream>
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;
}

迭代器失效的解决方法：在使用前，对迭代器重新赋值即可。

2 -> vector的深度剖析及模拟实现

2.1 -> vector的模拟实现

#define _CRT_SECURE_NO_WARNINGS#include <iostream>
#include <assert.h>
using namespace std;namespace fyd
{template<class T>class vector{public:// Vector的迭代器是一个原生指针typedef T* iterator;typedef const T* const_iterator;///// 构造和销毁vector(): _start(nullptr), _finish(nullptr), _endOfStorage(nullptr){}vector(size_t n, const T& value = T()): _start(nullptr), _finish(nullptr), _endOfStorage(nullptr){reserve(n);while (n--){push_back(value);}}/** 理论上将，提供了vector(size_t n, const T& value = T())之后* vector(int n, const T& value = T())就不需要提供了，但是对于：* vector<int> v(10, 5);* 编译器在编译时，认为T已经被实例化为int，而10和5编译器会默认其为int类型* 就不会走vector(size_t n, const T& value = T())这个构造方法，* 最终选择的是：vector(InputIterator first, InputIterator last)* 因为编译器觉得区间构造两个参数类型一致，因此编译器就会将InputIterator实例化为int* 但是10和5根本不是一个区间，编译时就报错了* 故需要增加该构造方法*/vector(int n, const T& value = T()): _start(new T[n]), _finish(_start + n), _endOfStorage(_finish){for (int i = 0; i < n; ++i){_start[i] = value;}}// 若使用iterator做迭代器，会导致初始化的迭代器区间[first,last)只能是vector的迭代器// 重新声明迭代器，迭代器区间[first,last)可以是任意容器的迭代器template<class InputIterator>vector(InputIterator first, InputIterator last){while (first != last){push_back(*first);++first;}}vector(const vector<T>& v): _start(nullptr), _finish(nullptr), _endOfStorage(nullptr){reserve(v.capacity());iterator it = begin();const_iterator vit = v.cbegin();while (vit != v.cend()){*it++ = *vit++;}_finish = it;}vector<T>& operator=(vector<T> v){swap(v);return *this;}~vector(){if (_start){delete[] _start;_start = _finish = _endOfStorage = nullptr;}}/// 迭代器相关iterator begin(){return _start;}iterator end(){return _finish;}const_iterator cbegin() const{return _start;}const_iterator cend() const{return _finish;}//// 容量相关size_t size() const{return _finish - _start;}size_t capacity() const{return _endOfStorage - _start;}bool empty() const{return _start == _finish;}void reserve(size_t n){if (n > capacity()){size_t oldSize = size();// 1. 开辟新空间T* tmp = new T[n];if (_start){for (size_t i = 0; i < oldSize; ++i)tmp[i] = _start[i];// 3. 释放旧空间delete[] _start;}_start = tmp;_finish = _start + oldSize;_endOfStorage = _start + n;}}void resize(size_t n, const T& value = T()){// 1.如果n小于当前的size，则数据个数缩小到nif (n <= size()){_finish = _start + n;return;}// 2.空间不够则增容if (n > capacity())reserve(n);// 3.将size扩大到niterator it = _finish;_finish = _start + n;while (it != _finish){*it = value;++it;}}///// 元素访问T& operator[](size_t pos){assert(pos < size());return _start[pos];}const T& operator[](size_t pos)const{assert(pos < size());return _start[pos];}T& front(){return *_start;}const T& front()const{return *_start;}T& back(){return *(_finish - 1);}const T& back()const{return *(_finish - 1);}/// vector的修改操作void push_back(const T& x){insert(end(), x);}void pop_back(){erase(end() - 1);}void swap(vector<T>& v){std::swap(_start, v._start);std::swap(_finish, v._finish);std::swap(_endOfStorage, v._endOfStorage);}iterator insert(iterator pos, const T& x){assert(pos <= _finish);// 空间不够先进行增容if (_finish == _endOfStorage){//size_t size = size();size_t newCapacity = (0 == capacity()) ? 1 : capacity() * 2;reserve(newCapacity);// 如果发生了增容，需要重置pospos = _start + size();}iterator end = _finish - 1;while (end >= pos){*(end + 1) = *end;--end;}*pos = x;++_finish;return pos;}// 返回删除数据的下一个数据// 方便解决:一边遍历一边删除的迭代器失效问题iterator erase(iterator pos){// 挪动数据进行删除iterator begin = pos + 1;while (begin != _finish) {*(begin - 1) = *begin;++begin;}--_finish;return pos;}private:iterator _start;		// 指向数据块的开始iterator _finish;		// 指向有效数据的尾iterator _endOfStorage;  // 指向存储容量的尾};
}/// /
/// 测试
void TestVector1()
{fyd::vector<int> v1;fyd::vector<int> v2(10, 5);int array[] = { 1,2,3,4,5 };fyd::vector<int> v3(array, array + sizeof(array) / sizeof(array[0]));fyd::vector<int> v4(v3);for (size_t i = 0; i < v2.size(); ++i){cout << v2[i] << " ";}cout << endl;auto it = v3.begin();while (it != v3.end()){cout << *it << " ";++it;}cout << endl;for (auto e : v4){cout << e << " ";}cout << endl;
}void TestVector2()
{fyd::vector<int> v;v.push_back(1);v.push_back(2);v.push_back(3);v.push_back(4);v.push_back(5);cout << v.size() << endl;cout << v.capacity() << endl;cout << v.front() << endl;cout << v.back() << endl;cout << v[0] << endl;for (auto e : v){cout << e << " ";}cout << endl;v.pop_back();v.pop_back();for (auto e : v){cout << e << " ";}cout << endl;v.insert(v.begin(), 0);for (auto e : v){cout << e << " ";}cout << endl;v.erase(v.begin() + 1);for (auto e : v){cout << e << " ";}cout << endl;
}int main()
{TestVector1();TestVector2();return 0;
}

2.2 -> 使用memcpy拷贝问题

在vector模拟实现的reverse接口中，若使用memcpy进行拷贝，以下代码会发生什么问题？

int main()
{fyd::vector<std::string> v;v.push_back("1111");v.push_back("2222");v.push_back("3333");return 0;
}

分析：

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；
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。

2.3 -> 动态二维数组理解

// 以杨辉三角的前n行为例：假设n为5
void TestVector3(size_t n)
{// 使用vector定义二维数组vv，vv中的每个元素都是vector<int>fyd::vector<fyd::vector<int>> vv(n);// 将二维数组每一行中的vecotr<int>中的元素全部设置为1for (size_t i = 0; i < n; ++i)vv[i].resize(i + 1, 1);// 给杨辉三角出第一列和对角线的所有元素赋值for (int i = 2; i < n; ++i){for (int j = 1; j < i; ++j){vv[i][j] = vv[i - 1][j] + vv[i - 1][j - 1];}}
}

fyd::vector<fyd::vector<int>> vv(n);构造一个vv动态二维数组，vv中总共有n个元素，每个元素都是vector类型的，每行没有包含任何元素。