【C++航海王：追寻罗杰的编程之路】vector
【摘要】 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
目录
1 -> vector的介绍及使用
1.1 -> vector的介绍
- 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find
auto pos = find(v.begin(), v.end(), 3);
if (pos != v.end())
{
// 2. 在pos位置之前插入30
v.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。
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n
if (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n
iterator 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pos
pos = _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1
for (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。
填充完成后：
使用标准库中vector构建动态二维数组时与上图一致。
感谢大佬们的支持！！！
互三啦！！！
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