C++STL之＜vector＞

目录

• 前言
• •  vector
• 1、vector的介绍与使用
• •  1.1、vector的介绍
  •  1.2、vector的常用接口说明（常用接口）
  • •  1.2.1、vector容器常见的构造函数
    •  1.2.2、vector iteration的使用
    • 1.2.3、 vector 空间增长接口
    • 1.2.4、vector增删查改
    • 1.2.5、迭代器失效问题（重点）
•  2、vector深度剖析及模拟实现
• •  2.1、vector的核心框架接口的模拟实现
  •  2.2、使用memcpy拷贝问题
  •  2.3、vector核心接口测试

前言

本篇文章进行STL中vector序列容器的学习！！！

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 vector 1、vector的介绍与使用  1.1、vector的介绍

【vector文档】

1. vector是表示可变大小数组的序列容器
2. vector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
3. 当vector插入（尾插）一个新的元素时，这个数组需要被重新分配大小。为了增加存储空间，需要分配一个新的数组，然后将原数组全部元素移动到这个新数组中。就时间（效率）而言，这是一个相对代价高的任务，但是每当尾插一个新元素时，vector不一定每次会重新分配大小
4. 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（STL现有四个版本）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
5. 虽然vector占用了更多的存储空间，但是为了获得管理存储空间的能力，并且以一种有效的方式进行动态增长，只能这样做
6. 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

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 1.2、vector的常用接口说明（常用接口）  1.2.1、vector容器常见的构造函数

（constructor）函数名称	功能说明
vector() （重点）	无参构造函数，有效数据和容量为0
vector（size_type n, const value_type& val = value_type()）	构造并初始化n个val
vector (const vector& v) （重点）	拷贝构造函数
vector (InputIterator first, InputIterator last)	使用迭代器进行初始化构造

举个栗子：

void Testvector()
{
	vector v1;                        // 默认构造函数
	vector v2(10, 100);               // 构造十个有效数据并且初始化为100
	vector v3(v2.begin(), v2.end());  // 使用迭代器进行构造
	vector v4(v3);                    // 拷贝构造函数

	//下面涉及迭代器部分知识，后面会将到
	int Array[]{ 0, 1, 2, 3, 4 };
	//使用迭代器进行初始化，迭代器本质是一个指针 --- [Array, Array + size)
	vector v5(Array, Array + sizeof(Array) / sizeof(int));

	//使用迭代器进行输出
	for (vector::iterator It = v5.begin(); It != v5.end(); ++It)
		cout << *It << ' ';
	cout << endl;
}

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 1.2.2、vector iteration的使用

iterator的使用	接口说明
begin + end（重点）	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_iterator

举个栗子：

void TestvectorIterator()
{
	vector v;
	for (int i = 0; i < 5; ++i)
		// 使用尾插接口插入数据 --- {0, 1, 2, 3, 4}
		v.push_back(i);

	// 使用迭代器进行遍历打印
	vector::iterator It = v.begin();
	while (It != v.end())
	{
		cout << *It << ' ';
		++It;
	}
	cout << endl;

	// 使用迭代器对容器中的数据进行修改
	It = v.begin();
	while (It != v.end())
	{
		// 每次增大二倍
		*It *= 2;
		++It;
	}

	// 使用反向迭代器进行遍历
	vector::reverse_iterator rIt = v.rbegin();
	while (rIt != v.rend())
	{
		cout << *rIt << ' ';
		++rIt;
	}
	cout << endl;
}

1.2.3、 vector 空间增长接口

容量空间	接口说明
size	获取数据个数
capacity	获取容量大小
empty	判断容器是否为空
resize（重点）	改变vector的size
reserve（重点）	改变vector的capacity

举个栗子1️⃣：

// 未提前开辟空间版本  --- 测试capacity、reserve接口
void Testvectorcapacity1()
{
	vector v;
	size_t size = v.capacity();
	cout << "开始尾插数据: n";
	for (int i = 0; i < 100; ++i)
	{
		v.push_back(i);
		if (size != v.capacity())
		{
			size = v.capacity();
			cout << "容量发生改变: " << size << endl;
		}
	}
}

// 提前开辟空间版本
void Testvectorcapacity2()
{
	vector v;
	// 提取开辟好100个空间，提高效率，防止频繁发生扩容
	v.reserve(200);
	size_t size = v.capacity();
	cout << "开始尾插数据: n";
	for (int i = 0; i < 100; ++i)
	{
		v.push_back(i);
		if (size != v.capacity())
		{
			size = v.capacity();
			cout << "容量发生改变: " << size << endl;
		}
	}
}

vs运行结果：

g++运行结果：

• 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。这个问题经常会考察，不要固化的认为，顺序表增容都是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
• 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

举个栗子2️⃣：

//测试size、resize接口
void Testvectorresize()
{
	vector v;
	// 通过尾插接口插入数据 --- {1 ~ 10}
	for (int i = 1; i < 10; i++)
		v.push_back(i);

	// 将有效数据缩减到5个
	v.resize(5);
	//将有效数据增加到8个，多出的位置初始化为100
	v.resize(8, 100);
	//将有效数据增加到12个，多出的位置默认初始化为0
	v.resize(12);

	cout << "v contains:";
	for (int i = 0; i < v.size(); i++)
		cout << ' ' << v[i];
	cout << 'n';
}

• resize在开空间的同时还会进行初始化，影响size

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1.2.4、vector增删查改

vector增删查改	接口说明
push_back（重点）	尾插
pop_back（重点）	尾删
find	查找（注意这个是算法模块实现，不是vector的成员接口）
insert	在position之前插入val
erase	删除position位置的数据
swap	交换二个vector的数据空间
operator[]（重点）	像数组一样通过下标进行访问

注意：这里的尾插、尾删、insert 和 erase接口跟数据结构中的动态顺序表一样

举个栗子1️⃣：

//测试push_back、pop_back接口
void Testvector()
{
	vector v;
	for (int i = 0; i < 5; ++i)
		// 尾插数据
		v.push_back(i);
	for (auto It = v.begin(); It != v.end(); ++It)
		cout << *It << ' ';
	cout << endl;

	//尾删数据
	v.pop_back();
	v.pop_back();
	for (auto It = v.begin(); It != v.end(); ++It)
		cout << *It << ' ';
	cout << endl;
}

举个栗子2️⃣：

//测试find、insert、erase接口
void Testvector()
{
	int Array[]{1, 2, 3, 4};
	vector v(Array, Array + sizeof(Array) / sizeof(int));

	//使用find查找3所在的位置的iteration(地址)
	vector::iterator pos = find(v.begin(), v.end(), 3);

	//在pos位置左边插入数据100
	v.insert(pos, 100);

	for (auto It = v.begin(); It != v.end(); ++It)
		cout << *It << ' ';
	cout << endl;

	pos = find(v.begin(), v.end(), 3);
	//删除pos位置的数据
	v.erase(pos);

	for (auto It = v.begin(); It != v.end(); ++It)
		cout << *It << ' ';
	cout << endl;
}

举个栗子3️⃣：

//测试swap、operator[]接口
void Testvector()
{
	int Array[]{ 1, 2, 3, 4 };
	vector v(Array, Array + sizeof(Array) / sizeof(int));

	//通过[]进行读写操作
	v[0] = 10;

	//通过[]进行遍历
	for (int i = 0; i < v.size(); ++i)
		cout << v[i] << ' ';
	cout << endl;

	vector v2;
	//交换二个vector的空间
	v2.swap(v);
	for (auto It = v2.begin(); It != v2.end(); ++It)
		cout << *It << ' ';
	cout << endl;

	//C++11支持的新式范围for循环遍历  --- 这里没有输出，因为交换的是空的vector
	for (auto e : v)
		cout << e << ' ';
	cout << endl;
}

注意：

• vector使用operator[]+index 和
• C++11中vector的新式for+auto的遍历这两种遍历方式是比较便捷的
• 其实范围for循环的底层也是迭代器实现的

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1.2.5、迭代器失效问题（重点）

迭代器的作用：

• 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，其实底层实际是一个指针，或者是对指针进行了封装

比如：

• vector的迭代器底层就是原生态指针T*
• 迭代器失效，实际就说迭代器底层对应指针所指向的空间被销毁了，而我们还在使用这块已经被释放的空间，造成的后果是程序崩溃（继续使用已失效的迭代器，非法访问空间，会导致崩溃）

对于vector可能会导致其迭代器失效的操作有：

1. 会造成vector底层空间被改变的操作，都有可能是迭代器失效，比如：resize、reverse、insert、assign、push_back等等…

void Testvector()
{
	// 使用初始化列表进行初始化
	vector v{ 1, 2, 3, 4, 5 };

	auto It = v.begin();

	// 将游戏元素个数增加到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);

	// reserse的作用是改变扩容大小，但不改变有效数据个数，操作期间可能会引起底层容量的改变（扩容）
	//v.resize(100);

	// 插入元素期间，也可能会引起扩容，而导致原空间被释放
	//v.insert(v.begin(), 100);
	//v.push_back(100);

	// 给vector重新赋值，也可能引起底层容量的改变
	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

void Testvector()
{
	// 使用初始化列表进行初始化
	vector v{ 1, 2, 3, 4, 5 };

	auto It = v.begin();

	v.resize(100, 8);

	v.resize(100);

	v.insert(v.begin(), 100);
	v.push_back(100);

	v.assign(100, 8);

	// 对迭代器重新初始化，拿到有效的迭代器
	while (It != v.end())
	{
		cout << *It << " ";
		++It;
	}
	cout << endl;

}

2. 指定位置元素删除操作 — erase

void Testvector()
{
	int Array[]{ 1, 2, 3, 4 };
	vector v(Array, Array + sizeof(Array) / sizeof(int));

	// 使用find查找3所在的位置的iteration
	vector::iterator pos = find(v.begin(), v.end(), 3);

	// 删除pos位置的值后，导致迭代器失效
	v.erase(pos);

	//此处为非法访问，会崩溃
	cout << *pos << endl;
}

程序解析：

• 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的
• 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

void Testvector1()
{
	vector v{ 1, 2, 3, 4 };
	auto It = v.begin();
	while (It != v.end())
	{
		// 如果迭代器中的值尾2的倍数，则删除它
		if (*It % 2 == 0)
			v.erase(It);
		++It;
	}
}

void Testvector2()
{
	vector v{ 1, 2, 3, 4 };
	auto It = v.begin();
	while (It != v.end())
	{
		// 如果迭代器中的值尾2的倍数，则删除它
		if (*It % 2 == 0)
			It = v.erase(It);
		else
			++It;
	}
}

程序解析：

• 以上程序中第一个函数会导致崩溃，因为当迭代器中数据是2的倍数时，会将其删除，随后迭代器会失效，然后下面又要自增迭代器，导致崩溃…
• 第二个程序是正常的，因为迭代器重新接收了erase返回的有效迭代器，所以是正常的

解决方案：迭代器失效解决办法：在使用前，对迭代器重新赋值即可

---

 2、vector深度剖析及模拟实现  2.1、vector的核心框架接口的模拟实现

vector.h

#ifndef VECTOR_H_
#define VECTOR_H_
#include 
#include 

namespace myvector
{
	template
	class vector
	{
	public:
		// 迭代器 ---- 指：原生指针
		typedef T* iterator;
		typedef const T* const_iterator;
		//---------------------------------------------------------------- 迭代器操作
		iterator begin() { return _start; }
		iterator end() { return _finish; }

		const_iterator cbegin() const { return _start; }
		const_iterator cend() const { return _finish; }
		//---------------------------------------------------------------- 构造函数和析构函数
		vector() //默认初始化为空指针
			: _start(nullptr)
			, _finish(nullptr)
			, _endOfStorage(nullptr)
		{}
		
		//内置类型默认构造函数（T()）初始值为0
		vector(size_t n, const T& value = T())
			: _start(nullptr)
			, _finish(nullptr)
			, _endOfStorage(nullptr)
		{
			//扩容
			reserve(n);
			while (n--)
				push_back(value);
		}

		vector(const vector& v)
			: _start(nullptr)
			, _finish(nullptr)
			, _endOfStorage(nullptr)
		{
			//扩容
			reserve(v.capacity());
			iterator it = _start;
			const_iterator vit = v.cbegin();
			//听过迭代器进行赋值，并且让尾指针自增
			while (vit != v.cend())
			{
				*it++ = *vit++;
				++_finish;
			}
		}

		// 使用迭代器进行构造 --- 函数模板
		// 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 
		vector(InputIterator* first, InputIterator* last)
		{
			//扩容
			reserve(last - first);
			while (first != last)
			{
				push_back(*first);
				++first;
			}
		}

		vector& operator=(vector v) //这里是一个拷贝，不影响原对象
		{
			//调用swap，进行交换
			this->swap(v);
			return *this;
		}

		~vector()
		{
			if (_start != nullptr)
			{
				delete[] _start;
				_finish = _endOfStorage = nullptr;
			}
		}
		//---------------------------------------------------------------- 关于容器的操作
		size_t size() const { return _finish - _start; } // 指针相减，得到它们之间的距离
		size_t capacity() const { return _endOfStorage - _start; } // 容量
		size_t empty() const { return _start == _finish; } //判空

		void reserve(size_t n) //增容
		{
			//需扩容长度大于现容量时，则扩容
			if (n > capacity())
			{
				T* tmp = new T[n];
				size_t oldSize = size();

				//判断是否开辟成功再进行拷贝 --- 不能使用memcpy或strcpy --- 因为类型不确定
				if (_start != nullptr)
				{
					for (int i = 0; i < oldSize; ++i)
						tmp[i] = _start[i];
				}
				//更新头、尾和容量尾的指针
				_start = tmp;
				_finish = _start + oldSize; // 增容不改变原本数据长度
				_endOfStorage = _start + n; // 容量变大
			}
		}

		void resize(size_t n, const T& value = T()) //将有效数据数量修改成n，若多出则将用value补齐空缺的
		{
			//若n小于原数据数量，则将原数据数量缩减到n个
			if (n <= size())
			{
				_finish = _start + n;
				return;
			}
			//若大于，则扩容并且补齐
			if (n > size())
			{
				//扩容
				reserve(n);

				//补齐
				iterator it = _start + size();
				_finish = _start + n;
				while (it != _finish)
				{
					*it = value;
					++it;
				}
			}
		}
		//---------------------------------------------------------------- access，下标访问
		T& operator[](size_t pos) { return _start[pos]; }
		T& operator[](size_t pos) const { return _start[pos]; }
		//---------------------------------------------------------------- midofy，对vector中数据进行调整
		void push_back(const T& value) { insert(end(), value); }
		void pop_back()
		{
			erase(end());
			--end;
		}
		void swap(vector& v) //交换二个对象
		{
			std::swap(_start, v._start);
			std::swap(_finish, v._finish);
			std::swap(_endOfStorage, v._endOfStorage);
		}

		iterator insert(iterator pos, const T& value)
		{
			//断言，防止越界访问
			assert(pos <= _finish);

			//如果容量满了，则扩容 --- 每次扩容二倍
			if (_finish == _endOfStorage)
			{
				size_t newCapacity = (capacity() == 0) ? 1 : capacity() * 2;
				reserve(newCapacity);
				//容量变化，导致pos失效，需重置
				pos = _start + size();
			}
			//随机插入，将插入数据的位置后面的数据往后移动
			iterator end = _finish;
			while (end > pos)
			{
				*end = *(end - 1);
				--end;
			}
			//在索引位置进行赋值
			*pos = value;
			++_finish;

			//返回有效的pos
			return pos;
		}

		iterator erase(iterator pos)
		{
			iterator begin = pos;
			//将数据往前挪动覆盖
			while (begin != _finish)
			{
				*begin = *(begin + 1);
				++begin;
			}
			//删除一个值，尾指针必须自减
			--_finish;

			//返回有效的迭代器
			return pos;
		}
	private:
		iterator _start; // 数据块开始的地方
		 iterator _finish; // 指向有效数据的尾
		 iterator _endOfStorage; // 指向存储容量的尾
	};
}

#endif

---

 2.2、使用memcpy拷贝问题

假设模拟实现的vector中的reverse接口中，使用memcpy进行拷贝，会发生什么？

#include "vector.h"

int main()
{
	myvector::vector v;
	v.push_back("1111");
	v.push_back("2222");
	v.push_back("3333");
	return 0;
}

问题分析：

• memcpy是内存的二进制格式拷贝，将一段内存空间中的内容原封不动拷贝到另外一段空间中
• 如果拷贝的时自定义类型元素，memcpy既高效又不会出错，但如果拷贝的是自定义类型并且自定义类型元素中涉及到资源管理（new）时，就会出错，因为memcpy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、vector核心接口测试

#include "vector.h"
#include 
using namespace std;

//构造函数
void TestVector1()
{
	// 对构造函数进行测试
	myvector::vector v1;
	myvector::vector v2(5, 100);
	myvector::vector v3(v2.begin(), v2.end());

	// 迭代器构造函数也可用于从数组构造：
	int Array[] = { 1, 2, 3, 4 };
	myvector::vector v4(Array, Array + sizeof(Array) / sizeof(int));

	cout << "使用迭代器对v4进行遍历: ";
	for (myvector::vector::iterator It = v4.begin(); It != v4.end(); ++It)
		cout << *It << ' ';
	cout << endl;
	//----------------------------------------------------------------------------------------

	//测试模板类型参数为自定义类型并且涉及资源管理时，拷贝的问题
	myvector::vector strv;
	strv.push_back("1111");
	strv.push_back("2222");
	strv.push_back("3333");
	strv.push_back("4444");

	cout << "使用下标访问进行遍历: ";
	for (int i = 0; i < strv.size(); ++i)
		cout << strv[i] << ' ';
	cout << endl;
}

// 迭代器iteration
void PrintVector(const myvector::vector& v)
{
	// 使用const迭代器进行遍历打印
	cout << "使用常量迭代器进行遍历: ";
	myvector::vector::const_iterator cIt = v.cbegin();
	while (cIt != v.cend())
	{
		cout << *cIt << ' ';
		++cIt;
	}
	cout << endl;
}

void TestVector2()
{
	// 使用pusk_back插入4个数据
	myvector::vector v;
	for (int i = 1; i < 5; ++i)
		v.push_back(i);
	PrintVector(v);

	// 使用迭代器进行vector的修改
	auto It = v.begin();
	while (It != v.end())
	{
		*It *= 2;
		++It;
	}
	PrintVector(v);

	//使用C++11的范围for循环进行打印
	cout << "使用范围for循环进行遍历: ";
	for (auto e : v)
		cout << e << ' ';
	cout << endl;
}

//测试find、insert、erase接口
void TestVector3()
{
	
	int Array[] = { 1, 2, 3, 4 };
	myvector::vector v(Array, Array + sizeof(Array) / sizeof(int));

	//使用find查找vector中3所在的位置的iteration
	auto pos = find(v.begin(), v.end(), 3);

	//在pos位置之前插入100
	v.insert(pos, 100);
	PrintVector(v);

	//删除pos位置的值
	pos = find(v.begin(), v.end(), 3); //迭代器已实现，需要重新赋值
	v.erase(pos);
	PrintVector(v);
}

// iteration失效问题
void TestVector4()
{
	int Array[] = { 1, 2, 3, 4 };
	myvector::vector v(Array, Array + sizeof(Array) / sizeof(int));

	// 删除pos位置的数据，导致pos迭代器失效
	auto pos = find(v.begin(), v.end(), 3);
	v.erase(pos);
	cout << *pos << endl; // 此处会导致非法访问

	// 在pos位置插入数据，导致pos迭代器失效。
	// insert会导致迭代器失效，是因为insert可
	// 能会导致增容，增容后pos还指向原来的空间，而原来的空间已经释放了。
	pos = find(v.begin(), v.end(), 3);
	v.insert(pos, 30);
	cout << *pos << endl; // 此处会导致非法访问

	// 实现删除v中的所有偶数
	// 下面的程序会崩溃掉，如果是偶数，erase导致it失效
	auto it = v.begin();
	while (it != v.end())
	{
		if (*it % 2 == 0)
			v.erase(it);
		++it;
	}

	// 以上程序要改成下面这样，erase会返回删除位置的下一个位置
	it = v.begin();
	while (it != v.end())
	{
		if (*it % 2 == 0)
			it = v.erase(it);
		else
			++it;
	}
}

int main()
{
	//对构造函数的测试
	TestVector1();
	const myvector::vector v(3, 6);
	PrintVector(v);
	TestVector2();
	TestVector3();
	//TestVector4();
	return 0;
}

---

全部内容已写完，感谢大家支持！！！