【c++】vector的使用与实现

目录

1.vector的介绍

2.vector的使用

2.1 vector 的构造

2.2 vector迭代器的使用

2.3 vector 空间方面的函数

2.4 vector 增删查改

2.5 vector 迭代器失效问题

3.vector的模拟实现

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1.vector的介绍

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（deque, list and forward_list）， 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list和forward_list统一的迭代器和引用更好

2.vector的使用

vector的文档 

https://cplusplus.com/reference/vector/vector/

2.1 vector 的构造

（1）默认构造函数：创建一个空的vector。

（2）填充构造函数：构造一个包含 n 个元素的容器。每个元素都是 val 的副本。

（3） 范围构造函数：构造一个包含与范围 [first，last） 一样多的元素的容器，每个元素都以相同的顺序从该区域中的相应元素构造。

（4） 拷贝构造函数：以相同的顺序构造一个容器，其中包含 x 中每个元素的副本

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    vector v1;                           // 默认构造一个空的vector
	vector v2(4, 100);                   // v2的四个值都为100；
	vector v3(v2.begin(), v2.end());     //对一个区间进行拷贝构造[begin,end);
	vector v4(v3);                       // 拷贝构造

	int arr[] = { 16,2,77,29 };// 对一个区间的构造函数也可用于从数组进行构造
	vector v5(arr, arr + sizeof(arr) / sizeof(int));

2.2 vector迭代器的使用

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_iterator

2.3 vector 空间方面的函数

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
reserve	改变vector的capacity

reserve函数

reserve的作用是更改vector的容量（capacity），使vector至少可以容纳n个元素。
如果n大于vector当前的容量，reserve会对vector进行扩容。其他情况下都不会重新分配vector的存储空间

    //测试扩容机制的代码
    size_t sz;
	vector v;
	sz = v.capacity();
	cout << "making v grow:\n";
	for (int i = 0; i < 100; ++i)
	{
		v.push_back(i);
		if (sz != v.capacity())
		{
			sz = v.capacity();
			cout << "capacity changed: " << sz << '\n';
		}
	}

 我们可以看到，在vs下的 reserve函数，扩容的大小接近于1.5倍的增长，在linux下的reserve函数的扩容增长是以2倍的速度

2.4 vector 增删查改

vector增删查改	接口说明
push_back	尾插
pop_back	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	交换两个vector的数据空间
operator[]	像数组一样访问、

 insert函数

 erase函数

 我们可以看到erase函数有两种函数原型，一种是给定要删除的位置，另一种是给定删除的区域

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、reserve、insert、assign、push_back等。

    vector 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);

    while(it != v.end())
    {
    cout<< *it << " " ;
    ++it;
    }
    cout<

上操作，都有可能会出错原因：以导致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。

 

 2.指定位置元素的删除操作--erase

 

注意： 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。

 Linux下， g++编译器对迭代器失效的检查与处理

 空间扩容

 

 反观vs下：程序崩溃

 

结论：g++编译器下，扩容之后，迭代器已经失效了，程序虽然可以运行，但是结果已经不对了。而vs编译器下，直接程序崩溃。

erase删除任意位置代码(非尾删)

linux下

 运行结果

反观vs下：程序崩溃

 erase 删除最后一个元素(尾删)
模拟实现删除数组中的偶数

运行结果 

vs下肯定也是崩溃

 我们从vs编译器到linux下g++编译器中可以看到：SGI版本的STL库中，迭代器失效后，vs下代码一定会崩溃，g++下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，肯定会崩溃的。

迭代器失效解决办法：在使用前，对迭代器重新赋值即可

3.vector的模拟实现

#pragma once
#include 
#include 
using namespace std;
namespace lj 
{
	template 
	class vector
	{
	public:
		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;
		}
		vector()
			:_start(nullptr),
			_finish(nullptr),
			_end_of_storage(nullptr)
		{}

		//v2(v1)
		//vector(const vector& v)
		//{
		//	_start = new T[v.capacity()];
		//	//v.size()也可以，不过改为size()后，下面代码也要修改
		//	//memcpy(_start, v._start, sizeof(T) * v.size());
		//	for (size_t i = 0;i < v.size(); i++)
		//	{
		//		_start[i] = v._start[i];
		//	}

		//	_finish = _start + v.size();
		//	_end_of_storage = _start + v.capacity();
		//}

		/*vector(const vector& v)
			:_start(nullptr),
			_finish(nullptr),
			_end_of_storage(nullptr)
		{
			reserve(v.size());
			for (const auto& e:v)
			{
				push_back(e);
			}

		}*/


		template
		vector(InputIterator first, InputIterator last)
			:_start(nullptr)
			, _finish(nullptr)
			, _end_of_storage(nullptr)
		{
			while (first != last)
			{
				push_back(*first);
				first++;
			}
		}
		vector(const vector& v)
			:_start(nullptr),
			_finish(nullptr),
			_end_of_storage(nullptr)
		{
			vector tmp(v.begin(), v.end());
			swap(tmp);
		}

		vector(size_t n, const T& val = T())
			:_start(nullptr)
			, _finish(nullptr)
			, _end_of_storage(nullptr)
		{
			reserve(n);
			for (size_t i = 0; i < n; ++i)
			{
				push_back(val);
			}
		}

		vector(int n, const T& val = T())
			:_start(nullptr)
			, _finish(nullptr)
			, _end_of_storage(nullptr)
		{
			reserve(n);
			for (int i = 0; i < n; ++i)
			{
				push_back(val);
			}
		}
		~vector()
		{
			delete[] _start;
			_start = _finish = _end_of_storage;
		}

		const T& operator [](size_t pos)
		{
			assert(pos < size());
			return _start[pos];
		}
		size_t capacity()const
		{
			return _end_of_storage - _start;
		}
		size_t size()const
		{
			return _finish - _start;
		}
		void reserve(size_t n)
		{
			if (n > capacity())
			{
				T* tmp = new T[n];
				if (_start)
				{
					//memcpy(tmp, _start, sizeof(T) * size());
					//memcpy是浅拷贝，在vector>  的使用中
					//会导致里面一层浅拷贝导致析构的时候会对同一个空间析构2次，产生野指针问题
					for (size_t i = 0; i < size(); i++)
					{
						tmp[i] = _start[i];//T对象是自定义类型时，调用T对象operator=
					}
					delete[] _start;
				}
				_finish = tmp + size();
				_start = tmp;
				_end_of_storage = _start + n;
			}
		}

		void resize(size_t n,const T& val = T())
		{
			if (n > capacity())
			{
				reserve(n);
			}
			if (n > size())
			{
				while (_finish < _start + n )
				{
					*_finish = val;
					_finish++;
				}
			}
			else
			{
				_finish = _start + n;
			}
		}
		void push_back(const T& x)
		{
			if (_finish == _end_of_storage)
			{
				reserve(capacity() == 0 ? 4 : capacity() * 2);
			}
			*_finish = x;
			++_finish;
			/*_start[size()] = x;
			_finish++;*/
		}

		void pop_back()
		{
			assert(_finish > _start);
			_finish--;
		}
		
		
		//insert/erase 的pos位置，不要直接访问pos，一定要更新
		//直接访问，可能会出现各种问题，这就是迭代器失效
		iterator insert(iterator pos,const T& x)
		{
			assert(pos <= _finish && pos >= _start);
			if (_finish == _end_of_storage)
			{
				size_t len = pos - _start;
				reserve(capacity() == 0 ? 4 : capacity() * 2);
				pos = _start + len;
			}
			
			iterator tmp = _finish - 1;
			while (tmp >= pos)
			{
				*(tmp + 1) = *tmp;
				--tmp;
			}
			*pos = x;
			_finish++;
			return pos;
		}
		iterator erase(iterator pos)
		{
			assert(pos < _finish && pos >= _start);
			iterator begin = pos + 1;
			while (begin < _finish)
			{
				*(begin-1) = *begin;
				++begin;
			}
			_finish--;
			return pos;
		}

		void swap(vector& v)
		{
			std::swap(_start, v._start);
			std::swap(_finish, v._finish);
			std::swap(_end_of_storage, v._end_of_storage);
		}
		vector& operator = (const vector v)
		{
			swap(v);
			return *this;
		}
	private:
		iterator _start;
		iterator _finish;
		iterator _end_of_storage;

	};
}