- 一、STL - vector 的介绍
- 二、vector 的使用（常用接口介绍）
- 2.1 常见构造
- 2.2 迭代器及遍历操作
- 2.3 容量操作
- 2.4 访问操作
- 2.5 修改操作
- 2.6 vector 迭代器失效问题（⭐重要）
- 2.7 补充：其它接口
- 三、源码剖析：vector 的底层结构
- 四、vector 的模拟实现
- 4.1 vector 的结构
- 4.2 vector 的迭代器
- 4.3 一些成员函数的实现
- ① 默认成员函数
- ② 容量操作
- 使用 memcpy 浅拷贝的问题（⭐）
- 解决 memcpy 浅拷贝的问题（⭐）
- ③ 访问操作
- ④ 修改操作
- 五、动态二维数组
文档介绍：vector - C++ Reference (cplusplus.com)
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vector 是表示可变大小数组的序列容器。
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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。
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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。
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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。
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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。
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与其它动态序列容器相比（deques, lists and forward_lists）， 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 lists 和 forward_lists 统一的迭代器和引用更好。
template < class T, class Alloc = allocator2.1 常见构造> class vector; // generic template
构造函数：
| constructor | 接口说明 |
|---|---|
| vector ();（⭐） | 无参构造（构造一个没有元素的空容器，size = 0） |
| vector (size_type n, const value_type& val = value_type()); | 构造一个包含 n 个元素的容器，元素值为 val |
| vector (const vector& x); （⭐） | 拷贝构造 |
| template | 使用迭代器进行初始化构造 [first,last) |
value_type：The first template parameter (T) 第一个模板参数，vector 中存储数据的类型
Example1：
#include#include int main () { std::vector first; // 构造一个没有元素的空容器 std::vector second (4,100); // 4个值为100的整数 std::vector third (second.begin(), second.end()); // 迭代器构造 std::vector fourth (third); // 拷贝构造 // 迭代器构造函数也可以使用数组来进行构造，传的区间是左闭右开 // 因为指向数组空间的指针是天然的迭代器 int arr[] = {16,2,77,29}; std::vector fifth (arr, arr + 4 ); // std::vector fifth (arr, arr + sizeof(arr) / sizeof(int) ); // first : [] // second: [100,100,100,100] // third : [100,100,100,100] // fourth: [100,100,100,100] // fifth : [16,2,77,29] }
Example2：不实用
void test2()
{
// 用其它容器的迭代器初始化，只要数据d类型可以匹配上
string s("hello");
vector v(s.begin(), s.end());
for (auto& e : v)
{
cout << e << " ";
}
cout << endl;
}
2.2 迭代器及遍历操作
| Iterators | 接口说明 |
|---|---|
| begin（iterator / const_iterator） | 返回指向第一个元素的迭代器 |
| end | 返回指向最后一个元素的下一个位置的迭代器 |
| rbegin（reverse_iterator / const_reverse_iterator） | 反向迭代器（可以反向遍历对象） |
| rend | 反向迭代器 |
| 范围for | C++11 支持更简介的范围 for 的新遍历方式（底层其实是被替换成迭代器，所以支持迭代器就支持范围 for） |
正向迭代器其实就是一个原生指针 T*
反向迭代器不是原生指针，因为原生指针是无法实现 rit++ 倒着走的，是一个被封装的类对象，重载了++运算符，实现了 rit++ 倒着走
Example：
void test1()
{
vector v;
v.push_back(1);
v.push_back(2);
v.push_back(3);
v.push_back(4);
// 遍历vector
// 1. []运算符
for (size_t i = 0; i < v.size(); i++)
{
cout << v[i] << " ";
}
cout << endl;
// 2. 迭代器
vector::iterator it = v.begin();
while (it != v.end())
{
cout << *it << " ";
it++;
}
cout << endl;
// 3. 范围for
for (auto& e : v)
{
cout << e << " ";
}
cout << endl;
}
2.3 容量操作
| Capacity | 接口说明 |
|---|---|
| size | 返回容器中有效元素个数 |
| resize ⭐ | 调整容器的有效元素大小（size） |
| capacity | 返回分配的存储容量大小（即有效元素的最大容量） |
| reserve ⭐ | 调整容器的容量大小（capacity） |
| empty | 判断容器是否为空 |
Example1：
resize 函数介绍：开空间 + 初始化
注意： value_type() 是缺省值，是调用 value_type 类型的默认构造函数构造的一个匿名对象
void resize (size_type n, value_type val = value_type());
比如：
void test3()
{
vector v;
v.resize(10); // v中的10个有效元素全是缺省值' '
}
Example2：
reserve 函数介绍：只是开空间
如果确定知道需要用多少空间，用 reserve 可以缓解 vector 增容的代价问题。
void reserve (size_type n);
注意：下面这种是错误❌用法
void test3()
{
vector v;
v.reserve(10); // 有效元素个数 size = 0，只是开了空间 capacity = 10
// 正确做法
for (size_t i = 0; i < 10; i++)
{
v.push_back(i);
}
}
图示说明：
Example2：
如果不断往 vector 中尾插数据，容器会随着数据的增多而发生扩容，通过验证发现：
容量 capacity() 在 VS2019 下是按 1.5 倍增长的，在 Linux g++ 下是按 2 倍增长的
2.4 访问操作
| Element access | 接口说明 |
|---|---|
| operator[] | 可以像数组一样访问 vector（一般物理地址是连续的才支持） |
| back | 返回容器中最后一个元素的引用 |
| front | 返回容器中第一个元素的引用 |
[] 运算符重载函数返回容器中位置 n 处元素的引用
reference operator[] (size_type n); const_reference operator[] (size_type n) const; // 函数内部会检查越界
2.5 修改操作
| Modifiers | 接口说明 |
|---|---|
| push_back（⭐） | 在末尾添加一个元素，有效元素个数加1 |
| pop_back（⭐） | 删除最后一个元素，有效元素个数减1 |
| insert | 在指定迭代器位置的元素之前插入新元素来扩展容器 |
| erase | 从容器中删除单个元素（迭代器位置）或一系列元素（迭代器区间 [first,last) ） |
| swap | 交换两个容器的内容 |
| clear | 清空容器中所有有效元素，使容器大小 size 为 0 |
Example1：
insert 函数介绍：
-
返回 指向第一个新插入元素的迭代器
-
iterator insert (iterator position, const value_type& val); // 插入单个元素 // 传值传参，形参改变不会影响实参
erase 函数介绍：
-
返回 指向被删除元素下一个位置的迭代器
-
iterator erase (iterator position); // 删除单个元素 // 传值传参，形参改变不会影响实参
注意：这里会涉及到迭代器失效的问题！
void test4()
{
int arr[] = { 1,2,3,4,5,6,7,8,9,10 };
vector v(arr, arr + 10);
auto pos1 = v.insert(v.begin(), 50); // 头插
auto pos2 = v.erase(v.begin()); // 头删
}
Example2：
swap 函数介绍：用 x 的内容交换当前容器的内容，x 是同类型的另一个对象。两个容器大小可能不同。
void swap (vector& x);
比如：
vectorv1(2, 10); // v1 = [10, 10] vector v2(5, 50); // v2 = [50, 50, 50 ,50 ,50] v1.swap(v2); // v1 = [50, 50, 50 ,50 ,50] // v2 = [10, 10]
2.6 vector 迭代器失效问题（⭐重要）
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，会引起其底层空间改变的操作，都有可能会导致其迭代器失效，比如：resize、reserve、insert、assign、push_back 等，还有 erase（指定位置元素的删除操作）
下面来测试两种导致迭代器失效的操作：
-
指定位置之前插入元素操作 – insert
情况一：
void test6() { // 迭代器失效问题 -- 类似野指针问题 vectorv; v.push_back(1); v.push_back(2); v.push_back(3); vector ::iterator pos = find(v.begin(), v.end(), 2); if (pos != v.end()) { v.insert(pos, 20); // 在pos之前插入20 } // 在insert之后，pos迭代器位置就失效了，不能再去访问了 -- insert时增容导致的 //cout << *pos << endl; / } // 在insert时空间足够，没有增容，但我们依旧认为pos迭代器位置失效了，不能再去访问了 // 这里的失效是指pos位置的意义变了，pos不再指向原来的值 //cout << *pos << endl; / } // 在erase之后，pos迭代器位置就失效了，不能再去访问了 // 这里的失效是指pos位置的意义变了，pos不再指向原来的值 //cout << *pos << endl; / template class vector { public: // 迭代器 // iterator是内嵌类型，在vector类域里面定义的类型 // vector的迭代器是一个原生指针 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; } private: iterator _start; // 指向数组的开始 iterator _finish; // 指向最后一个有效元素的下一个位置 iterator _end_of_storage; // 指向空间结束的下一个位置 public: // 默认成员函数 vector(); // 无参构造函数 template vector(InputIterator first, InputIterator last); // 使用迭代器初始化构造 vector(const vector & v); // 拷贝构造（深拷贝） void swap(vector & v) // 交换两个容器的内容 vector & operator=(vector v) // 赋值运算符重载（深拷贝） ~vector(); // 容量操作 size_t size() const { return _finish - _start; } // 有效元素个数 size_t capacity() const { return _end_of_storage - _start; } // 容量大小 bool empty() const { return size(); } // 判空 void reserve(size_t n); // 调整容器的容量大小（capacity） void resize(size_t n, const T& val = T()); // 调整容器的有效元素大小（size） // 访问操作，[]运算符重载 T& operator[](const size_t pos); T& operator[](const size_t pos) const; // 修改操作 iterator insert(iterator pos, const T& val = T()); // 在pos迭代器位置前插入元素 iterator erase(iterator pos); // 删除pos迭代器位置的元素 void push_back(const T& x); // 尾插 void pop_back(); // 尾删 }; }
4.2 vector 的迭代器vector 的正向迭代器就是一个原生指针 T*
namespace winter { templateclass vector { public: // 迭代器 // iterator是内嵌类型，在vector类域里面定义的类型 // vector的迭代器是一个原生指针 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; } private: iterator _start; // 指向数组的开始 iterator _finish; // 指向最后一个有效元素的下一个位置 iterator _end_of_storage; // 指向空间结束的下一个位置 public: // ... // ... }; }
4.3 一些成员函数的实现 ① 默认成员函数 构造函数：
// 无参构造 vector() :_start(nullptr) , _finish(nullptr) , _end_of_storage(nullptr) {} // 使用迭代器进行初始化构造 [first,last) // 注意：若使用vector的 iterator 做形参，会导致初始化的迭代器区间[first,last)只能是vector的迭代器 templatevector(InputIterator first, InputIterator last) // [first,last) :_start(nullptr) , _finish(nullptr) , _end_of_storage(nullptr) { while (first != last) { push_back(*first); first++; } } 测试：
拷贝构造函数：传统写法
// 拷贝构造（深拷贝），传统写法1 // v2(v1) vector(const vector
& v) :_start(new T[v.capacity()]) , _finish(_start + v.size()) , _end_of_storage(_start + v.capacity()) { memcpy(_start, v._start, sizeof(T) * v.size()); // 拷贝元素 } // 拷贝构造（深拷贝），传统写法2 -- 推荐，好处在括号中 // v2(v1) vector(const vector & v) :_start(nullptr) , _finish(nullptr) , _end_of_storage(nullptr) { reserve(v.capacity()); // 调整新容器容量大小（这样的好处是：一次性把空间开好，效率高） for (const auto& e : v) // 尾插元素到新容器中（复用push_back函数） push_back(e); } 赋值运算符重载函数：传统写法
// 赋值运算符重载（深拷贝），传统写法 // v2 = v1 vector
& operator=(const vector & v) { if (this != &v) // 防止自己给自己赋值 { // 释放原空间 delete[] _start; _start = _finish = _end_of_storage = nullptr; // 插入元素 reserve(v.capacity()); // 调整容量大小 for (const auto& e : v) push_back(e); _finish = _start + v.size(); _end_of_storage = _start + v.capacity(); } return *this; } 交换两个容器的内容：方便实现拷贝构造和赋值重载的现代写法
// 交换两个容器的内容 // v1.swap(v2) void swap(vector
& v) { // 函数名冲突，指定去调用全局域里面的std::swap std::swap(_start, v._start); std::swap(_finish, v._finish); std::swap(_end_of_storage, v._end_of_storage); } 拷贝构造函数：现代写法
// 拷贝构造（深拷贝），现代写法 // v2(v1) vector(const vector
& v) :_start(nullptr) // 当前对象是一个正在构造的对象，成员变量还未初始化，是一个随机值，所以先置空 , _finish(nullptr) , _end_of_storage(nullptr) { vector tmp(v.begin(), v.end()); // 拿v的内容，调用构造函数构造一个临时对象tmp this->swap(tmp); // 将临时对象tmp和当前对象的成员变量分别进行交换 } 赋值运算符重载函数：现代写法（赋值重载一般都是推荐现代写法，很方便，也很香）
// 赋值运算符重载（深拷贝），现代写法 -- 推荐 // v2 = v1 vector
& operator=(vector v) // 通过传值传参，拷贝构造出临时对象 { this->swap(v); // 交换临时对象和当前对象的内容 return *this; // 返回当前对象 } 析构函数：
~vector() { delete[] _start; _start = _finish = _end_of_storage = nullptr; }
② 容量操作 size、capacity、empty 函数：
size_t size() const // 有效元素个数 { return _finish - _start; } size_t capacity() const // 容量大小 { return _end_of_storage - _start; } bool empty() const // 判空 { return size(); }reserve 函数：
// 调整容器的容量大小（capacity） void reserve(size_t n) { if (n > capacity()) // 如果n大于当前 capacity 大小 { size_t oldSize = size(); // 提前保存下旧空间size大小，便于后面更新_finish T* tmp = new T[n]; // 开辟并初始化新空间，n个T类型的对象 if (_start) { // void * memcpy ( void * destination, const void * source, size_t num ); memcpy(tmp, _start, sizeof(T) * oldSize); // 旧空间元素拷贝到新空间（浅拷贝） delete[] _start; // 释放旧空间 } _start = tmp; // 指向新空间 _finish = _start + oldSize; // 更新有效元素长度 _end_of_storage = _start + n; // 更新容量 } }思考：reserve 函数内部使用 memcpy 函数对数据进行字节序拷贝，实际上是有问题的。
使用 memcpy 浅拷贝的问题（⭐）请看下面这段代码，会发生什么问题吗？
void test7() { // memcpy值拷贝的问题 vectorv; v.reserve(4); // 调整vector的容量为4 v.push_back("111"); v.push_back("222"); v.push_back("333"); v.push_back("444"); v.push_back("555"); // 这里会发生扩容，调用reserve函数 for (auto& e : v) cout << e << endl; } 运行结果：程序崩溃
问题分析：
- 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（字节序拷贝）。
- 如果拷贝的是内置类型的元素，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（比如在堆上申请的有资源），就会出错，因为 memcpy 的拷贝实际是浅拷贝。
画图分析：
-
开空间，插入 4 个 string 类对象：
-
插入第 5 个 string 类对象，引发扩容，调用 reserve 函数，使用 memcpy 按字节序拷贝元素到新空间中，是浅拷贝，导致两个对象共享同一份资源：
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程序结束时，已被析构的空间再次被析构，导致程序崩溃！
解决 memcpy 浅拷贝的问题（⭐）-
容器中存的是内置类型元素，直接赋值即可
-
容器中存的是自定义类型元素，通过调用该自定义类型的赋值运算符重载函数 operator= 完成「深拷贝」
修改后的 reserve 函数如下：
// 调整容器的容量大小（capacity） void reserve(size_t n) { if (n > capacity()) // 如果n大于当前 capacity 大小 { size_t oldSize = size(); // 提前保存下旧空间size大小，便于后面更新_finish T* tmp = new T[n]; // 开辟并初始化新空间，n个T类型的对象 if (_start) { // 如果T是int，直接赋值即可 // 如果T是string，就调用string类的赋值重载（进行深拷贝） // 如果T是vector，就调用vector类的赋值重载（进行深拷贝） for (size_t i = 0; i < oldSize; i++) // 旧空间元素赋值到新空间 tmp[i] = _start[i]; // 赋值 delete[] _start; // 释放旧空间 } _start = tmp; // 指向新空间 _finish = _start + oldSize; // 更新有效元素长度 _end_of_storage = _start + n; // 更新容量 } }
resize 函数：
// 调整容器的有效元素大小（size） void resize(size_t n, const T& val = T()) { // 如果n小于当前size，，则有效元素个数缩小到n if (n < size()) { _finish = _start + n; } // 如果n大于当前size else if (n > size()) { // 如果n大于当前capacity，先进行增容 if (n > capacity()) reserve(n); // 多出的位置用val或者缺省值T()填充 while (_finish < _start + n) { *_finish = val; _finish++; // 有效元素长度+1 } } }
③ 访问操作// []运算符重载，普通版本和 const 版本 T& operator[](const size_t pos) { assert(pos >= 0 && pos < size()); // 检查越界 return _start[pos]; } T& operator[](const size_t pos) const { assert(pos >= 0 && pos < size()); // 检查越界 return _start[pos]; }④ 修改操作 insert 函数：注意迭代器失效问题！！！
iterator insert(iterator pos, const T& val = T()) { assert(pos >= _start && pos <= _finish); size_t len = pos - _start; // 记录下pos相对_start的长度 if (_finish == _end_of_storage) // 先检查是否需要扩容 { size_t newcapacity = capacity() == 0 ? 4 : 2 * capacity(); reserve(newcapacity); // 注意：扩容后，pos还指向旧空间，pos位置迭代器已失效，需要重置pos pos = _start + len; // 解决迭代器失效问题⭐ } // 往后挪动元素 for (iterator end = _finish; end > pos; end--) { *end = *(end - 1); } *pos = val; // 在pos迭代器位置处插入元素 _finish++; // 有效元素长度+1 return pos; // 返回指向第一个新插入元素的迭代器⭐ // pos是传值传参，形参改变不会影响实参，所以更需要返回pos } erase 函数：注意迭代器失效问题！！！
iterator erase(iterator pos) { assert(pos >= _start && pos < _finish); // 往前挪动元素 for (iterator it = pos + 1; it < _finish; it++) { *(it - 1) = *it; } _finish--; // 有效元素长度-1 return pos; // 返回指向被删除元素下一个位置的迭代器⭐ } push_back 函数：
void push_back(const T& x) { insert(_finish, x); }测试：
void test2() { vectorv; // 3种传值方式： string s("hello"); v.push_back(s); // 构造有名对象作为实参传递 v.push_back(string("hello")); // 构造一个匿名对象作为实参传递 v.push_back("hello"); // 单参数的构造函数支持隐式类型转换 } pop_back 函数：
void pop_back() { erase(--end()); }
五、动态二维数组以杨辉三角为例：
class Solution { public: vector二维数组 vector
类型的。 当 n = 5 时：
填充二维数组的每一个元素：
