【C++】STL — vector的接口讲解 +详细模拟实现

前言:
本章我们将学习STL中另一个重要的类模板vector…

  • vector是表示可变大小数组的序列容器。
  • 就像数组一样，vector也采用的连续存储空间来存储元素。但是又不像数组，它的大小是可以动态改变的
  • 本质讲，vector使用动态分配数组来存储它的元素
  • 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。

能不能用vector来替代string呢？

  • 可以是可以，但是有区别的，string的部分功能vector实现不了,比如：流插入>>和流提取 <<
  • string比较大小是按照ASCII码比较，但是vector的规则就不一样了。
  • Vector 是没有重载<< 和>>操作符的 find( )，以及以下使用情况，

vector < char> T；
string str ； // 数据结尾\0 、+=、find、比较大小、to_string、<< 、>>等等
// vector < char> 无法替代string

目录

    • 1. vector的使用
      • 1.1 vector的构造：
      • 1.2 vector的迭代器：
      • 1.3 vector的内存管理：
      • 1.4 迭代器可以访问容器：
    • 2. vector的模拟实现
    • 2.1 迭代器失效问题
    • 2.2 深浅拷贝问题

1. vector的使用

1.1 vector的构造：

在我们使用vector之前我们需要先包一下头文件#include< vector >

在这里插入图片描述

int main ()
{// constructors used in the same order as described above:std::vector<int> first;                                // empty vector of intsstd::vector<int> second (4,100);                       // four ints with value 100std::vector<int> third (second.begin(),second.end());  // iterating through secondstd::vector<int> fourth (third);                       // a copy of third
// the iterator constructor can also be used to construct from arrays:int myints[] = {16,2,77,29};std::vector<int> fifth (myints, myints + sizeof(myints) / sizeof(int) );}

1.2 vector的迭代器：

用法和string中的迭代器一样.

void test_vector2()
{//遍历vector<int> v;v.push_back(1);v.push_back(2);v.push_back(3);v.push_back(4);//1、下标 + []for (size_t i = 0; i < v.size(); i++){v[i] += 1;cout << v[i] << " ";}cout << endl;//2、迭代器vector<int>::iterator it = v.begin();while (it != v.end()){*it -= 1;cout << *it << " ";it++;}cout << endl;//3、范围forfor (auto e : v){cout << e << " ";}cout << endl;
}

1.3 vector的内存管理：

STL中vector每次扩容的规律：

void test_vector3()
{//vector<int> v;//cout << v.max_size() << endl;//Capicity容量测试 -- VS是PJ版本 大概是1.5倍增容，Linux是SGI版本 是2倍增容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';}}
}

内存管理数据分析：

  • 单次增容越多，插入N个值，增容次数越少，效率就越高
  • 单次增容越多，造成空间浪费。

reserve / resize 的使用：

  • 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
容量空间接口说明
resize（重点）改变vector的size
reserve （重点改变vector的capacity
void tese_vector4()
{vector<int> countV;//resize 开空间 + 初始化countV.resize(100, 1);countV.resize(10);countV.reserve(1000);//sting 和 vector等都有一个特点，删除数据，一般不会主动缩容的countV.shrink_to_fit();cout << countV.size() << endl;cout << countV.capacity() << endl;cout << endl << endl;
//操作系统的空间不允许一部分一部分还
//vector没有头插头删，效率比较低
}

insert / erase 的使用：

void test_vector5()
{//遍历vector<int> v;v.push_back(1);v.push_back(2);v.push_back(3);v.push_back(4);v.insert(v.begin(), -1);v.insert(v.begin(), -2);v.insert(v.begin(), -3);for (auto e : v){cout << e << " ";}cout << endl;//可以在尾最后一个位置插入，越界了是不行的v.insert(v.begin() + 7, 3000);for (auto e : v){cout << e << " ";}cout << endl;v.erase(v.begin());v.erase(v.begin());for (auto e : v){cout << e << " ";}cout << endl;
}

1.4 迭代器可以访问容器：

void test_vector6()
{vector<int> v;//auto pos = find(v.begin(), v.end(), 3);vector<int>::iterator pos = find(v.begin(), v.end(), 3);if (pos != v.end()){cout << "找到了" << endl;v.erase(pos);}else{cout << "没有找到" << endl;}for (auto ch : v){cout << ch << " ";}cout << endl;v.push_back(0);v.push_back(9);v.push_back(3);v.push_back(1);//默认是升序//sort(v.begin(), v.end()); // < //排降序，使用仿函数greater//关于仿函数，先记住这个用法，具体后面学习队列细学sort(v.begin(), v.end(), greater<int>()); // > ，greater<int>()匿名对象
}
  • 仿函数我们后期会学，先包一下头文件:#include< functional> – 仿函数
  • vector和list没有find，没有查找函数，我们需要包一个算法的头文件 #include< functional >

2. vector的模拟实现

template<class T>
class vector
{
public:typedef T* iterator;typedef const T* const_iterator;//构造函数1vector():_start(nullptr), _finish(nullptr), _endofstoage(nullptr){}//给一个迭代器的区间去构造2template<class InputIterator>vector(InputIterator first, InputIterator last):_start(nullptr), _finish(nullptr), _endofstoage(nullptr){while (first != last){push_back(*first);first++;}}//用n个val初始化3vector(size_t n, const T& val = T()): _start(nullptr), _finish(nullptr), _endofstoage(nullptr){reserve(n);for (size_t i = 0; i < n; i++){push_back(val);}}
//重载一个int n （逻辑和上面一样）vector(int n, const T& val = T()): _start(nullptr), _finish(nullptr), _endofstoage(nullptr){reserve(n);for (int i = 0; i < n; i++){push_back(val);}}void swap(vector<T>& v){std::swap(_start, v._start);std::swap(_finish, v._finish);std::swap(_endofstoage, v._endofstoage);}//拷贝构造--现代写法1vector(const vector<T>& v)//vector(const vector& v):_start(nullptr), _finish(nullptr), _endofstoage(nullptr){//拷贝构造中调用一个构造函数，构造一个tmp出来vector<T> tmp(v.begin(), v.end());//通过this指针调用该对象的成员函数this->swap(tmp);}//-----现代写法2vector<T>& operator=(vector<T> v){this->swap(v);return *this;}
}

C++中，内置类型也可以认为，有构造函数和析构函数

原因在于：1.这样可以更好支持模板 2.void resize(size_t n, T val = T()) 与类的对象使用方法一样：
int i=0;
int j= int(1)
int m(1);
在这里插入图片描述

//资源清理
~vector()
{if (_start != nullptr){delete[] _start;_start = _finish = _endofstoage = nullptr;}
}iterator begin()
{return _start;
}iterator end()
{return _finish;
}const_iterator begin() const
{return _start;
}const_iterator end() const
{return _finish;
}size_t size() const
{return _finish - _start;
}size_t capacity() const
{return _endofstoage - _start;
}void reserve(size_t n)
{//这里存在start更新之后就算不准的现象size_t sz = size();if (n > capacity()){T* tmp = new T[n];if (_start != nullptr){//memcpy(tmp, _start, size() * sizeof(T));//这里是浅拷贝，所以会有问题for (size_t i = 0; i < size(); i++){tmp[i] = _start[i];}delete[] _start;}_start = tmp;}_finish = _start + sz;_endofstoage = _start + n;
}

注意：

  • 一开始的时候 _finish 和 _start 都是0空指针nullptr
  • _start被更新了，要是这样：_finish = _start + size();
  • 不能用size( )，要是这样：_finish = _start + _finsih - _start;
//生成T类型的匿名对象，C++内置类型也有默认构造函数
//分3种情况：1.n>capacity 需要扩容+初始化2.n>size && n<=capacity 初始化3.n<size 删除数据void resize(size_t n, const T& val = T())
{if (n > capacity()){reserve(n);}if (n > size()){while (_finish < _start + n){*_finish = val;_finish++;}}else{_finish = _start + n;}
}void push_back(const T& x)
{/*if (_finish == _endofstoage){size_t newCapacity = capacity() == 0 ? 4 : capacity() * 2;reserve(newCapacity);}*_finish = x;_finish++;*/finish代表最后一个，所以要加一个insert(end(), x);
}void pop_back()
{/*if (_finish > _start){_finish--;}*///返回的临时对象不能改变，不能++(自增)和--(自减)erase(end() - 1);
}T& operator[](size_t pos)
{assert(pos <= size());return _start[pos];
}const T& operator[](size_t pos) const
{assert(pos < size());return _start[pos];
}

2.1 迭代器失效问题

两种迭代器失效原因：

  • 1.野指针
  • 2.意义变了

与vector类似, string在插入+扩容操作+ erase之后,迭代器也会失效
1.在迭代器位置P插入数据以后，不要访问P了，因为P可能失效了

auto p=find(v.begin( ),v.end( ),3);
if（p!=v.end( ))
{v.insert（p,30);cout<<*p<<endl;//这里最好就不要使用了，迭代器P已经失效了，如果必须要有，要接收返回值，对P重新赋值v.insert（p,30);
}
  1. 总结一下,如果必须要用，为了防止迭代器失效,在使用迭代器前,对迭代器重新赋值即可

结论：insert/erase pos位置后，不要直接访问pos.一定要更新，因为直接访问，可能会出现各种出乎意料的结果，这就是所谓的迭代器失效

演示代码1：

void test_vector2()
{vector<int> v;v.push_back(1);v.push_back(2);v.push_back(3);v.push_back(4);v.insert(v.begin(), 0);for (auto e : v){cout << e << " ";}cout << endl;
}

迭代器失效问题，是因为pos是不更新的。

  • 当reserve扩容之后，如果是新空间，_start和_finish更新了，pos（就是v.begin()）还指向旧空间
  • 但是旧空间被释放了，这个问题就是迭代器失效，pos为野指针
  • 所以就插入失败了
  • 迭代器发生了野指针的问题
    insert函数中的内部pos指针更新了，但是形参的改变不会影响实参，pos指针是一个传值传参
	//pos前一个位置插入（之前是void,所以错误）iterator insert(iterator pos, const T& x){//检查Pos位置是否合理assert(pos >= _start && pos <= _finish);//扩容//扩容以后pos就失效了，需要更新一下if (_finish == _endofstoage){size_t n = pos - _start;size_t newCapacity = capacity() == 0 ? 4 : capacity() * 2;reserve(newCapacity);//更新迭代器的位置，做返回pos = _start + n;}//挪动数据iterator end = _finish - 1;while (end >= pos){*(end + 1) = *end;end--;}*pos = x;_finish++;return pos;}**//有返回值是防止STL库里面有缩容的情况,不知道怎么实现的**//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iterator erase(iterator pos) %-**-返回删除位置的下一个位置**{assert(pos >= _start && pos < _finish);iterator begin= pos + 1;while (begin != _finish){*(begin - 1) = *begin;begin++;}_finish--;return pos;}void clear(){_finish = _start;}
private:iterator _start;iterator _finish;iterator _endofstoage;
};//类外定义拷贝构造-模板写法：
template<typename T>
vector<T>::vector(const vector<T>& v):_start(nullptr), _finish(nullptr), _endofstoage(nullptr)
{vector<T> tmp(v.begin(), v.end());this->swap(tmp);
}

2.1.1 Insert 和 Erase 迭代器失效的讨论：

vector<int>::iterator it = v.begin();while (it != v.end()){if (*it % 2 == 0){//错误写法：v.insert(it, 20)//正确写法：it = v.insert(it, 20);it++;}it++;}

(1)Insert 扩容的情况：（野指针）

  • 如果扩容的话，迭代器将it指向原来的空间，原来的空间已经被释放了
  • 当再次进入Insert时，it变成野指针。

(2) Insert 不扩容的情况：（意义变了）

  • insert以后虽然没有扩容，it不是野指针，但是it指向位置的意义变了

  • it++之后一直指向20，导致了我们这个程序重复插入20

  • 不是it是野指针失效的，而是it指向的位置意义变了

  • 也叫作迭代器失效

(3)Erase 缩容的情况：（野指针）

  • STL里对erase的实现，有可能存在缩容实现，就会出问题
  • 当再次进入erase时，it变成野指针。

(4) Erase不扩容的情况：（意义变了）

  • 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

解决方案：

  • 采取返回指针的话可以完美避开上述所有问题
  • 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

2.2 深浅拷贝问题

以杨辉三角为例：
vector<vector< int>> vv;
在这里插入图片描述

  • vector<vectot< int >>表示里面的每个数据存的都是vector的对象
  • 外面vector的是深拷贝，里面的Vector 使用的是memcpy( )做的是浅拷贝， 导致delete析构的时候，指向同一个空间，出现问题
  • vector里面的T类型有可能是自定义类型，使用Memcpy( )就是浅拷贝，所以里面也要做深拷贝。

**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

尾声
看到这里，相信大家对这个C++有了解了。
如果你感觉这篇博客对你有帮助，不要忘了一键三连哦

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