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零、前言

本章将学习C++中的vector类，掌握其使用以及模拟实现

一、什么是vector

• 介绍：

vector是表示可变大小数组的序列容器，也采用的连续存储空间来存储元素（与string很相似，string是储存字符，而vector可以储存多种类型），可以采用下标对vector的元素进行访问（空间是连续的），但大小是可以动态改变的

• 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，不同的库和平台采用不同的策略权衡空间的使用和重新分配（即占用了更多的存储空间，并且以一种有效的方式动态增长）

• 优劣：

与其它动态序列容器相比， 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

二、vector的常用接口说明

注：vector的函数操作基本上和string效果类似

1、vector对象常用构造

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

• 使用示例：

void test_vector1()
{
	//vector是一个模板类，在实例化对象时需要指明类型
	vector<int> first; //空vector
	vector<int> second(4, 100); //初始化构造（4个空间，每个储存100）
	vector<int> third(second.begin(), second.end()); // 迭代器初始化构造
	vector<int> fourth(third); //拷贝构造
	int myints[] = { 16,2,77,29 };
	vector<int> fifth(myints, myints + sizeof(myints) / sizeof(int));//数组指针区间构造（本质上与迭代器一致）
}

• 结果：

2、vector对象容量操作

函数名称	功能说明
size（重点）	返回字符串有效字符长度
capacity	返回空间总大小
empty （重点）	检测vector是否为空
reserve （重点）	为数据预留空间**
resize （重点）	将有效字符的个数该成n个，多出的空间用数据填充

• 使用示例：

void test_vector2()
{
	//size/capacity/empty/operator[]
	vector<int> v1;
	cout << v1.size() << endl;
	cout << v1.capacity() << endl;
	cout << v1.empty() << endl;
	vector<int> v2(5,2);
	cout << v2.size() << endl;
	cout << v2.capacity() << endl;
	cout << v2.empty() << endl;
	cout << v2[0] << endl;
	//reserve/resize
	v2.resize(8, 6);
	cout << v2.size() << endl;
	cout << v2.capacity() << endl;

	vector<int> foo1;
	int sz1 = foo1.capacity();
	cout << "making foo1 grow:\n";
	for (int i = 0; i < 100; ++i) {
		foo1.push_back(i);
		if (sz1 != foo1.capacity()) {
			sz1 = foo1.capacity();
			cout << "capacity changed: " << sz1 << '\n';
		}
	}
	vector<int> foo2;
	foo2.reserve(100);
	int sz2 = foo2.capacity();
	cout << "making foo2 grow:\n";
	for (int i = 0; i < 100; ++i) {
		foo2.push_back(i);
		if (sz2 != foo2.capacity()) {
			sz2 = foo2.capacity();
			cout << "capacity changed: " << sz2 << '\n';
		}
	}
}

• 结果：

• 注意：

1. 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（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）

2. 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(如果n大于当前的容量，该函数将重新分配其存储空间增加到n或者更大)

3. resize在开空间的同时还会进行初始化，影响size：

   如果n小于当前容器的size()，则删除超过的元素。如果n大于当前容器的size()，则在容器的末尾插入足够多的元素来扩展容器的内容，使容器的大小达到n(如果指定了val，则将新元素初始化为val)

3、vector对象访问及遍历操作

函数名称	功能说明
operator[] （重点）	返回pos位置的字符，普通对象和const对象有相应的版本
begin+ end	egin获取第一个字符的迭代器 + end获取最后一个字符下一个位置的迭代器
rbegin + rend	begin获取第一个字符的迭代器 + end获取最后一个字符下一个位置的迭代器
范围for	C++11支持，最终替换成迭代器

• 使用示例：

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 test_vector3()
{
	// 使用push_back插入4个数据
	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();
	while (rit != v.rend())
	{
		cout << *rit << " ";
		++rit;
	}
	cout << endl;
	//const迭代器打印
	PrintVector(v);
	//范围for遍历
	for (const auto& e : v)
	{
		cout << e << " ";
	}
	cout << endl;
	//size+[]
	for (size_t i = 0; i < v.size(); i++)
	{
		cout << v[i] << " ";
	}
	cout << endl;
}

• 结果：

4、vector对象修改操作

vector增删查改	接口说明
push_back（重点）	尾插
pop_back （重点）	尾删
find	查找（算法模块实现，不是vector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[] （重点）	像数组一样访问

• 使用示例：

void test_vector4()
{
	int a1[] = { 1, 2, 3, 4 };
	vector<int> v1(a1, a1 + sizeof(a1) / sizeof(int));
	vector<int>::iterator it1 = v1.begin();
	while (it1 != v1.end()) {
		cout << *it1 << " ";
		++it1;
	}
	cout << endl;
	v1.pop_back();
	v1.pop_back();
	it1 = v1.begin();
	while (it1 != v1.end()) {
		cout << *it1 << " ";
		++it1;
	}
	cout << endl;

	int a2[] = { 1, 2, 3, 4 };
	vector<int> v2(a2, a2 + sizeof(a2) / sizeof(int));
	// 使用find查找3所在位置的iterator
	vector<int>::iterator pos = find(v2.begin(), v2.end(), 3);
	// 在pos位置之前插入30
	v2.insert(pos, 30);
	vector<int>::iterator it2 = v2.begin();
	while (it2 != v2.end()) {
		cout << *it2 << " ";
		++it2;
	}
	cout << endl;
	pos = find(v2.begin(), v2.end(), 3);
	// 删除pos位置的数据
	v2.erase(pos);
	it2 = v2.begin();
	while (it2 != v2.end()) {
		cout << *it2 << " ";
		++it2;
	}
	cout << endl;

	int a3[] = { 1, 2, 3, 4 };
	vector<int> v3(a3, a3 + sizeof(a3) / sizeof(int));
	// 通过[]读写第0个位置
	v3[0] = 10;
	cout << v3[0] << endl;
	// 通过[i]的方式遍历vector
	for (size_t i = 0; i < v3.size(); ++i)
		cout << v3[i] << " ";
		cout << endl;
	vector<int> swapv;
	swapv.swap(v3);
	cout << "v data:";
	for (size_t i = 0; i < v3.size(); ++i)
		cout << v3[i] << " ";
	cout << endl;
	cout << "swapv data:";
	for (size_t i = 0; i < swapv.size(); ++i)
		cout << swapv[i] << " ";
	cout << endl;
	// C++11支持的新式范围for遍历
	for (auto x : v3)
		cout << x << " ";
	cout << endl;
}

• 结果：

5、vector迭代器失效问题

• 概念：

1. 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和string 迭代器就是原生态指针T*）

2. 因此vector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，或者在迭代器本身指向的意义改变了，不是我们所想的那样

• vector迭代器失效操作：

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

本质上：使vector发生扩容，原来动态开辟的空间被释放，但是迭代器在扩容后没有更新，再次使用会报错

• 示例：

#include <iostream>
using namespace std;
#include <vector>
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;
}

• 结果：

2. 指定位置元素的删除或者插入操作--erase/insert

本质上：删除或者插入操作后，使原来的迭代器指向的意义发生了改变

• 示例：

void testdemo1()
{
	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iterator
	vector<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，指向的意义发生改变（pos位置的内容是4，不是3了）
	v.erase(pos);
	cout << *pos << endl; // 此处是非法访问
	//解决方案：pos = v.erase(pos);//接收返回值，pos指向删除元素的后一个元素
}
void testdemo2()
{
	int a[] = { 1, 2, 3, 4 };
	vector<int> v(a, a + sizeof(a) / sizeof(int));
	vector<int>::iterator pos = find(v.begin(), v.end(), 3);
	v.insert(pos, 6);//插入后pos迭代器失效，指向的意义发生改变（pos位置的内容是6，不是3了）
	//解决方案：pos=v.insert(pos, 6);//接收返回值，pos指向插入的新元素
	cout << *pos << endl;
}

• 结果：

  

• 解决后：

• 解释：

1. 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，但是，迭代器指代的意义发生改变，vs就认为该位置迭代器失效了（对于插入操作也同理）

2. 迭代器失效解决办法：在使用前，更新迭代器

三、vector剖析及模拟实现

1、vector框架及常用接口展示

• 基本框架：

• 实现常用接口展示：

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;
    //普通迭代器和const迭代器
    iterator begin();
    iterator end();
    const_iterator begin()const;
    const_iterator end()const;
    //无参构造函数
    vector();
    //n个value构造函数
    vector(int n, const T& value = T());
    //迭代器构造
    template<class InputIterator>
    vector(InputIterator first, InputIterator last);
    //拷贝构造
    vector(const vector<T>& v);
    //赋值重载
    vector<T>& operator= (vector<T> v);
    //析构
    ~vector();

    // capacity
    size_t size() const;
    size_t capacity() const;
    bool empty() const;
    //开空间
    void reserve(size_t n);
    //开空间+初始化
    void resize(size_t n, const T& value = T());
    //下标重载
    T& operator[](size_t pos);
    const T& operator[](size_t pos)const;
    //尾插
    void push_back(const T& x);
    //尾删
    void pop_back();
    //交换
    void swap(vector<T>& v);
    //插入和删除
    iterator insert(iterator pos, const T& x);
    iterator erase(iterator 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
};

2、vector模拟常用接口具体细节

注：模拟时为了避免与C++本身提供的vector造成命名冲突，我们选择在命名空间里进行实现

• 实现代码：

namespace cole
{
    template<class T>
    class vector
    {
    public:
        //底层是连续开辟的空间，原生指针足够完成迭代器操作
        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;
        }
        //空vector
        vector()
            :_start(nullptr)
            , _finish(nullptr)
            , _endOfStorage(nullptr)
        {}

        vector(int n, const T& value = T())
            :_start(nullptr)
            , _finish(nullptr)
            , _endOfStorage(nullptr)
        {
            //一定要初始化（不初始化，成员变量为随机值，调用相关接口结果会存在问题，导致reserve会出现问题）
            reserve(n);
            for (int i = 0; i < n; i++)
            {
                //对于内置类型进行赋值，对于自定义类型，调用其复制重载函数（如string）
                _start[i] = value;
            }
            _finish = _start + n;
        }
        //模板类中可以存在模板函数
        template<class InputIterator>
        vector(InputIterator first, InputIterator last)
            :_start(nullptr)
            , _finish(nullptr)
            , _endOfStorage(nullptr)
        {
            //复用接口
            reserve(last - first);
            while (first != last)
            {
                push_back(*first);
                first++;
            }
        }
        vector(const vector<T>& v)
            :_start(nullptr)
            , _finish(nullptr)
            , _endOfStorage(nullptr)
        {
            reserve(v.capacity());
            for (size_t i = 0; i < v.size(); i++)
            {
                //对于内置类型进行赋值，对于自定义类型，调用其复制重载函数（如string）
                _start[i] = v._start[i];
            }
            _finish = _start + v.size();
        }
        //现代式写法
        vector<T>& operator= (vector<T> v)
        {
            swap(v);
            return *this;
        }
        ~vector()
        {
            //释放空间以及置空
            if (_start)
            {
                delete[] _start;
            }
            _start = _finish = _endOfStorage = nullptr;
        }
        // capacity
        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())
            {
                //扩容会重新开辟空间，导致成员变量为nullptr，这里记录下必要数据
                size_t sz = size();
                iterator tmp = new T[n];
                if (_start)
                {
                    for (size_t i = 0; i < sz; i++)
                    {
                        //对于内置类型进行赋值，对于自定义类型，调用其复制重载函数（如string）
                        tmp[i] = _start[i];
                    }
                    delete[] _start;
                }
                _start = tmp;
                _finish = _start + sz;
                _endOfStorage = _start + n;
            }
        }
        void resize(size_t n, const T& value = T())
        {
            //分情况操作
            if (n < size())
            {
                _finish = _start + n;
            }
            else
            {
                if (n > capacity())
                {
                    reserve(n);
                }
                while (_finish != _start + n)
                {
                    *_finish = value;
                    ++_finish;
                }
            }
        }
        T& operator[](size_t pos)
        {
            //pos的合理性
            assert(pos < size());
            return _start[pos];
        }
        const T& operator[](size_t pos)const
        {
            //pos的合理性
            assert(pos < size());
            return _start[pos];
        }

        void push_back(const T& x)
        {
            //vector满的情况
            if (_finish == _endOfStorage)
            {
                reserve(capacity() == 0 ? 4 : capacity() * 2);
            }
            *_finish = x;
            _finish++;
        }
        void pop_back()
        {
            //pos的合理性
            assert(size() > 0);
            _finish--;
        }
        //算法中提供的swap涉及多次深拷贝，这里自己实现，变量交换的效率高
        void swap(vector<T>& v)
        {
            ::swap(_start, v._start);
            ::swap(_finish, v._finish);
            ::swap(_endOfStorage, v._endOfStorage);
        }
        iterator insert(iterator pos, const T& x)
        {
            if (_finish == _endOfStorage)
            {
                //扩容会重新开辟空间，这里记录下必要数据
                size_t len = pos - _start;
                reserve(capacity() == 0 ? 4 : capacity() * 2);
                //扩容后pos会失效，更新pos位置
                pos = _start + len;
            }
            iterator end = _finish;
            while (end != pos)
            {
                *end = *(end - 1);
                end--;
            }
            *pos = x;
            _finish++;
            return pos - 1;
        }
        iterator erase(iterator pos)
        {
            iterator cur = pos + 1;
            while (cur != _finish)
            {
                *(cur - 1) = *cur;
                ++cur;
            }
            --_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
    };
}

3、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()
{
	cole::vector<cole::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. 如果拷贝的是自定义类型的元素，memcpy即高效又不会出错，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

4、动态二维数组理解

• 示例：

// 以杨慧三角的前n行为例：假设n为5
void test5(size_t n)
{
	// 使用vector定义二维数组vv，vv中的每个元素都是vector<int>
	cole::vector<cole::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1
	for (size_t i = 0; i < n; ++i)
		vv[i].resize(i + 1, 1);
	// 给杨慧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];
		}
	}
}

cole::vector<cole::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，如果n为5时如下所示：

• vv中元素填充完成之后，如下图所示 ：