【C++】STL容器之vector

前言

C++引入了面向对象的思想，相比于C语言，一个类能更好地对一些数据结构进行管理和操作。

在C语言中，我们使用定长数组和malloc出来的动态数组来维护一段连续的相同类型数据的集合

在C++中，基于面向对象的思想，用来管理空间上连续的同类型数据集合的类便应运而生，从本质上讲，vector类就是一个被封装了的大小可变数组的序列容器

目录

• 1.vector的简介

• 2.vector的常见接口及模拟实现
      2.1 vector类对象的常见构造
      2.2 vector类对象的容量操作
      2.3 vector类对象获取元素和迭代器的接口
      2.4 vector类对象修改元素接口

• 3.如何熟悉接口——刷题

• 4.vector的迭代器失效问题

• 5.二维动态数组

• 6.还想说的话

1.vector的简介

我们学习STL时，文档是我们的利器，学会查文档会让学习事半功倍，以下是两个C++文档网站：

• 官网：www.cppreference.com
• 常用网站（更新至C++11）：www.cplusplus.com

vector的文档介绍：

1. vector是表示可变大小数组的序列容器。
2. 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. 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。
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. 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。
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。

STL作为泛型编程的典范，我们的vector类自然就是一个类模板

template <class T>
class vector{
	//......
};

模板参数T很显然，就是我们想要在这个动态数组中插入的元素的类型，可以是int, char等内置类型数据，也可以是string, vector等自定义类型数据

vector<int> v1;
vector<char> v2;
vector<vector<int>> v3;
vector<string> v4;

再来看一下vector类的成员变量，我们知道，string使用：

size_t _size; ------>有效字符数量
size_t _capacity; ------>开辟总空间大小
T* _str; ------>字符串指针

来维护动态开辟的空间以及字符串的属性

当然，vector完全可以套用以上三个变量，不过，我们这次使用三个指针来对于vector进行维护，能够达到同样的目的：

T* _start; ------>指向数据块头部
T* _finish; ------>指向有效数据尾部（即最后一个有效元素下一个位置的地址）
T* _endOfStorage; ------>指向存储空间尾部

所以类比一下：

_size == _finish - _start
_capacity == _endOfStorage - _start
_str = _start

2.vector的常见接口及模拟实现

2.1 vector类对象的常见构造

函数名	功能
vector()	无参构造
vector(int n, const T& x = T())	构造并初始化n个x（x的缺省值为0）
template vector(InputInerator first, InputInerator last)	使用迭代器进行初始化构造
vector(const vector&v)	拷贝构造函数
~vector()	析构函数
operator=	赋值重载，将一个vector对象赋值给另一个vector对象

多种构造函数的使用：

void TestVector()
{
	std::vector<int> first; // 无参构造
	std::vector<int> second (4,100); //构造并初始化4个100
	std::vector<int> third (second.begin(),second.end()); // 用second的迭代器区间构造
	std::vector<int> fourth (third); // 拷贝构造
}

值得一提的是，由于vector的迭代器是T的指针，所以指针是vector天然的迭代器，所以我们可以用数组的前后指针作为迭代器左右区间初始化vector

int arr[] = {1,2,3,4,5,56,1};
vector<int> a(arr,arr + 2);

接口的模拟实现：

• 构造函数

//无参默认构造函数
vector()
	: _start(nullptr)
	, _finish(nullptr)
	, _endOfStorage(nullptr)
{}

//构造并初始化n个x
vector(int n, const T& x = T())
    :_start(new T[n])
    , _finish(_start + n)
    , _endOfStorage(_start + n)
{
    for (size_t i = 0; i < n; i++) {
        _start[i] = x;
    }
}

//用迭代器区间构造
template <class InputInerator>
vector(InputInerator first, InputInerator last) 
    : _start(nullptr)
    , _finish(nullptr)
    , _endOfStorage(nullptr)
{
    while (first != last) {
        push_back(*first);
        first++;
    }
}

• 拷贝构造

vector(const vector& v) 
    :_start(nullptr)
    , _finish(nullptr)
    , _endOfStorage(nullptr) 
{
    vector tmp(v.cbegin(), v.cend());
    swap(tmp);
}

• 析构函数

//析构函数
~vector() {
    delete[] _start;
    _start = nullptr;
    _finish = nullptr;
    _endOfStorage = nullptr;
}

• 赋值重载

//赋值重载
vector& operator=(vector v) {
    swap(v);
    return *this;
}

2.2 vector类对象的容量操作

接口名称	接口作用
size()	返回数组中元素个数
capacity()	返回当前分配给数组的空间大小
empty()	判断数组是否为空数组
reserve(n)	重置分配给数组空间的大小，为数组预留空间
resize(n, x)	重置数组元素，将数组元素的个数该成n个，多出的空间用x填充

注意：

1. 对于数组的增容，vs下capacity是按1.5倍增长的，g++是按2倍增长的。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。
3. resize在开空间的同时还会进行初始化，影响size。

接口的模拟实现：

• size()

//size()接口
size_t size() const {
    return _finish - _start;
}

• capacity()

//capacity()接口
size_t capacity() const {
    return _endOfStorage - _start;
}

• empty()

// 判空
bool empty() {
    return size() == 0;
}

• reserve(n)

void reserve(size_t n) {
    size_t sz = size();
    T* tmp = new T[n];
    memcpy(tmp, _start, size()*sizeof(T));
    delete[] _start;
    _start = tmp;
    _finish = _start + sz;
    _endOfStorage = _start + n;
}

• resize(n, x)

void resize(size_t n, const T& x = T()) {
    if (n <= size()) {
        _finish = _start + n;
    }
    else {
        if (n > capacity()) {
            reserve(n);
        }
        for (size_t i = size(); i < n; i++) {
            _start[i] = x;
            _finish++;
        }
    }
}

2.3 vector类对象获取元素和迭代器的接口

接口名称	接口作用
operator[ ]	返回pos位置的元素
begin()	返回第一个有效元素的迭代器
end()	返回最后一个元素下一个位置的迭代器

接口的模拟实现：

• operator[]

//重载[]
T& operator[](size_t pos) {
    assert(pos < size());
    return _start[pos];
}
const T& operator[](size_t pos) const {
    assert(pos < size());
    return _start[pos];
}

• begin() 和 end()

typedef T* iterator;
typedef const T* const_iterator;
iterator begin() {
    return _start;
}
iterator end() {
    return _finish;
}
const_iterator cbegin() const {
    return _start;
}
const_iterator cend() const {
    return _finish;
}

2.4 vector类对象修改元素接口

接口名称	接口作用
iterator insert(iterator pos, const T& x)	在地址为pos的位置插入1个元素
push_back()	尾插1个元素
erase()	删除元素
pop_back()	尾删一个元素
clear()	清除所有元素并将size置为0
swap()	交换两个类对象

接口的模拟实现：

• insert()

//插入元素
iterator insert(iterator pos, const T& x) {
    assert(pos >= _start && pos <= _finish);
    if (_finish == _endOfStorage) {
        size_t len = pos - _start;
        size_t new_capacity = (_start == _finish) ? 4 : 2 * (_endOfStorage - _start);
        reserve(new_capacity);
        pos = _start + len;
    }
    for (iterator i = _finish; i >= pos + 1; i--) {
        *i = *(i - 1);
    }
    *pos = x;
    _finish++;
    return pos;
}

• push_back()

//push_back尾插一个元素
void push_back(const T& x) {
    insert(_finish, x);  
}

• erase()

iterator erase(iterator pos) {
    assert(pos >= _start && pos < _finish);
    for (vector::iterator i = pos; i < end() - 1; i++) {
        *i = *(i + 1);
    }
    _finish--;
    return pos;
}

• pop_back()

void pop_back() {
    erase(_finsih - 1);
}

• clear()

void clear() {
    erase(begin(), end());
}

• swap()

void swap(vector& v2) {
    ::swap(_start, v2._start);
    ::swap(_finish, v2._finish);
    ::swap(_endOfStorage, v2._endOfStorage);
}

3.如何熟悉接口——刷题

刷题必是初学者掌握STL的最佳方法。以题代学，事半功倍。奉上若干vector的习题

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牛客网：

• 数组中出现次数超过一半的数字 (3种做法)
• 连续子数组的最大和 (dp动态规划)

leetcode：

• 只出现一次的数字
• 杨辉三角
• 删除有序数组种的重复项
• 只出现一次的数字 II
• 只出现一次的数字 III
• 电话号码的组合 (深度优先搜索)

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4.vector的迭代器失效问题

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，而去使用一块已经被释放的空间，造成的后果是如果继续使用已经失效的迭代器，程序可能会崩溃

迭代器失效有两种表现：

1. 非法访问被释放的内存
2. 迭代器的意义变了

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、reserve、insert、assign、push_back等

#include 
using namespace std;
#include 
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操作–erase

#include 
using namespace std;
#include 
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。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。

下面代码的功能是删除数组中的偶数，其中代码一存在迭代器失效的问题，代码二则正确

❗❗❗❗❗迭代器失效解决办法：在使用前，对迭代器重新赋值❗❗❗❗❗

代码一

int main()
{
	vector<int> v{ 1, 2, 3, 4 };
	auto it = v.begin();
	while (it != v.end())
	{
		if (*it % 2 == 0)
		v.erase(it);
		++it;
	}
	return 0;
}

代码2

int main()
{
	vector<int> v{ 1, 2, 3, 4 };
	auto it = v.begin();
	while (it != v.end())
	{
		if (*it % 2 == 0)
			it = v.erase(it); //对于迭代器重新赋值
		else
			++it;
}
	return 0;

5.二维动态数组

想要构建一个二维动态数组，其实和之前学过的二维数组的思想是一样的：

把每一行都看作是一个一维数组就行

vector<vector<int>> vv;

假设我们去构造一个5×5的二维数组并将所有元素赋值为1

1. 站在二维数组角度，创造出5个行，也就是5个一维数组

vv.resize(5);

2. 站在一维数组角度，每一行给5个1

for(int i = 0; i < vv.size(); i++)
{
	vv[i].resize(5, 1);
}

6.还想说的话

1. 模拟实现stl是个无聊、耗时的过程，但是能够帮助我们很深刻地理解指针、数据结构 、面向对象编程以及逻辑思维能力、代码能力

2. 《 STL源码剖析》------侯捷，打算读一读

3. 本博客所有代码：github、gitee