C++——vector迭代器失效与深浅拷贝问题

目录

1. vector迭代器失效问题

1.1 insert迭代器失效

1.1.1 扩容导致野指针

1.1.2 意义变了

1.1.3 官方库windows下VS和Linux下对insert迭代器失效的处理

1.2 erase迭代器失效

1.2.1 失效原因分析

1.2.2 官方库windows下VS和Linux下对erase迭代器失效的处理

1.2.3 测试用例

1.3 迭代器失效总结

2. 深浅拷贝问题

1. vector迭代器失效问题

1.1 insert迭代器失效

上文我们写了insert的模拟实现，这里先我们给出不完善版本，以insert的雏形开始往后深层次递进演化，如下：

void insert(iterator pos, const T& x)
{
	//检测参数合法性
	assert(pos >= _start && pos <= _finish);
	//检测是否需要扩容
	if (_finish == _endofstoage)
	{
		size_t newcapcacity = capacity() == 0 ? 4 : capacity() * 2;
		reserve(newcapcacity);
	}
	//挪动数据
	iterator end = _finish - 1;
	while (end >= pos)
	{
		*(end + 1) = *(end);
		end--;
	}
	//把值插进去
	*pos = x;
	_finish++;
}

insert的迭代器失效分为两大类：

1. 扩容导致野指针。
2. 意义变了。

1.1.1 扩容导致野指针

我们给出两组测试用例如下：

怎么push_back尾插4个后调用insert会出现随机值？而push_back尾插5个后调用insert就没问题？

此问题就是迭代器失效，原因在于pos没有更新。导致非法访问野指针。

上述当尾插4个数字后，再头插一个数字，发生扩容，根据reserve扩容机制，_start和_finish都会更新，唯独这个插入的位置pos没有更新，此时pos依旧执行旧空间，再者reserve后会释放旧空间，此时的pos就是野指针，这也就导致后续执行*pos = x就是对非法访问野指针，所以最终结果就是随机值。

• 解决办法：

可以通过设定变量n来计算扩容前pos指针位置和_start指针位置的相对距离，最后在扩容后，让_start再加上先前算好的相对距离n就是更新后的pos指针的位置了。

• 修正如下：

void insert(iterator pos, const T& x)
{
	//检测参数合法性
	assert(pos >= _start && pos <= _finish);
	/*扩容以后pos就失效了，需要更新一下*/
	if (_finish == _endofstoage)
	{
		size_t n = pos - _start;//计算pos和start的相对距离
		size_t newcapcacity = capacity() == 0 ? 4 : capacity() * 2;
		reserve(newcapcacity);
		pos = _start + n;//防止迭代器失效，要让pos始终指向与_start间距n的位置
	}
	//挪动数据
	iterator end = _finish - 1;
	while (end >= pos)
	{
		*(end + 1) = *(end);
		end--;
	}
	//把值插进去
	*pos = x;
	_finish++;
}

此时的迭代器失效已经解决了一部分，当然还存在一个迭代器失效问题，见下： 

1.1.2 意义变了

比如现在我要在所有的偶数前面插入2，可是测试结果确是如下：

这里发生了断言错误，这段代码发生了两个错误：

• 和上面的错误一样，首先it是指向原空间的，当insert插入到要扩容时，原来的旧数据被拷到了新空间上，这也就意味着旧空间全是野指针，而it一直是指向旧空间的，随后遍历it时就非法访问野指针，也就失效了。形参的改变不会影响实参，即使你内部pos的指向改变了，但是并不会影响我外部的it。
• 为了解决上面的错误，有人会觉着提前reserve开辟足够大的空间即可避免发生野指针的现象，但是又出现了一个新的问题，看图：

 此时insert以后虽然没有扩容，it也没有成为野指针，但是it指向位置意义变了，导致我们这个程序重复插入20。

• 解决办法：

给insert函数加上返回值即可解决，返回指向新插入元素的位置。

iterator insert(iterator pos, const T& x)
{
	//检测参数合法性
	assert(pos >= _start && pos <= _finish);
	//检测是否需要扩容
	/*扩容以后pos就失效了，需要更新一下*/
	if (_finish == _endofstoage)
	{
		size_t n = pos - _start;//计算pos和start的相对距离
		size_t newcapcacity = capacity() == 0 ? 4 : capacity() * 2;
		reserve(newcapcacity);
		pos = _start + n;//防止迭代器失效，要让pos始终指向与_start间距n的位置
	}
	//挪动数据
	iterator end = _finish - 1;
	while (end >= pos)
	{
		*(end + 1) = *(end);
		end--;
	}
	//把值插进去
	*pos = x;
	_finish++;
	return pos;
}

我们实际调用那块也得改动，让it自己接收insert后的返回值：

void test_vector10()
{
	//在所有的偶数前面插入2
	cpp::vector v;
	//v.reserve(10);
	v.push_back(1);
	v.push_back(2);
	v.push_back(3);
	v.push_back(4);
	v.push_back(5);
	v.push_back(6);
	cpp::vector::iterator it = v.begin();
	while (it != v.end())
	{
		if (*it % 2 == 0)
		{
			it = v.insert(it, 20);
			it++;
		}
		it++;
	}
	for (auto e : v)
	{
		cout << e << " ";
	}
}

 

1.1.3 官方库windows下VS和Linux下对insert迭代器失效的处理

针对于扩容发生野指针类的迭代器失效，VS官方库是直接断言报错。

Linux这里可以直接访问，甚至是可以修改。可见不同环境下对待迭代器失效的处理方式是不一样的，windows下更加严格，Linux下比较佛系。

1.2 erase迭代器失效

1.2.1 失效原因分析

 erase模拟实现的代码：

iterator erase(iterator pos)
{
	//检查合法性
	assert(pos >= _start && pos < _finish);
	//从pos + 1的位置开始往前覆盖，即可完成删除pos位置的值
	iterator it = pos + 1;
	while (it < _finish)
	{
		*(it - 1) = *it;		
        it++;
	}
	_finish--;
	return pos;
}

• erase的失效都是意义变了，或者不在有效访问数据的有效范围内；
• 一般不会使用缩容的方案，那么erase的失效，一般也不存在野指针的失效。

现在要对如下代码进行测试：

void test2()
{
	cpp::vector v;
	//v.reserve(10);
	v.push_back(1);
	v.push_back(2);
	v.push_back(3);
	v.push_back(4);
	cout << v.size() << ":" << v.capacity() << endl;
	auto pos = find(v.begin(), v.end(), 2);
	if (pos != v.end())
	{
		v.erase(pos);
	}
	cout << *pos << endl;
	*pos = 10;
	cout << *pos << endl << endl;
	cout << v.size() << ":" << v.capacity() << endl;
	for (auto e : v)
	{
		cout << e << " ";
	}
}

这里首先在尾插4个数据后，比较了下size和capacity的大小，此时是相等的，接下来删除值为2的数，此时*pos就是删除数字的下一个数据，没有问题，并且s=有效数据size也少了一个，后续修改*pos也没有问题。

• 可是当我要删除值为4的数据呢，再执行上述测试用例会是什么结果呢？

 这里我总共就有4个数字，按理说把最后一个数字删去后，有效数字-1，理应不存在说还会访问最后一个值的现象，但是此结果确实是删掉4后又访问了4，离谱的是还修改了4为10，这就是erase典型的迭代器失效。但是这里也不足为奇，因为你空间还没有缩容，删掉的4还存在，导致最终还能够被访问。

1.2.2 官方库windows下VS和Linux下对erase迭代器失效的处理

• VS环境下检擦非常严格， 直接强制检擦断言错误。
• Linux下对于迭代器失效的检查就宽泛很多，不会报错。

1. erase(pos)以后pos失效了，pos的意义变了，但是在不同平台下面对于访问pos的反应是不一样的，我们用的时候要以失效的角度去看待此问题。
2. 对于insert和erase造成迭代器失效问题，linux的g++平台检查很佛系，基本靠操作系统本身野指针越界检擦机制。windows下VS系列检擦更严格一些，使用一些强制检擦机制，意义变了可能会检擦出来。
3. 虽然g++对于迭代器失效检查时是非常佛系的，但是套在实际场景中，迭代器意义变了，也会出现各种问题。

1.2.3 测试用例

void test4()
{
	//删除所有的偶数
	std::vector v;
	//v.reserve(10);
	v.push_back(1);
	v.push_back(2);
	v.push_back(3);
	v.push_back(4);
	v.push_back(5);
	auto it = v.begin();
	while (it != v.end())
	{
		if (*it % 2 == 0)
		{
			v.erase(it);
		}
		it++;
	}
	for (auto e : v)
	{
		cout << e << " ";
	}
}

 

 

void test4()
{
	//删除所有的偶数
	std::vector v;
	//v.reserve(10);
	v.push_back(1);
	v.push_back(2);
	v.push_back(2);
	v.push_back(2);
	v.push_back(2);
	v.push_back(3);
	v.push_back(4);
	v.push_back(5);
	auto it = v.begin();
	while (it != v.end())
	{
		if (*it % 2 == 0)
		{
			it = v.erase(it);
		}
		else
		{
			it++;
		}
	}
	for (auto e : v)
	{
		cout << e << " ";
	}
}

1.3 迭代器失效总结

vector迭代器失效有2种

• 1、扩容，缩容，导致野指针式失效
• 2、迭代器指向的位置意义变了

系统越界机制检查，不一定能检查到。

编译实现机制检查，相对靠谱。

2. 深浅拷贝问题

 接下来用先前模拟实现的vector来测试杨辉三角以此来解释我们的深浅拷贝问题：

namespace cpp
{
	class Solution {
	public:
		// 核心思想：找出杨辉三角的规律，发现每一行头尾都是1，中间第[j]个数等于上一行[j-1]+[j]
		vector> generate(int numRows) {
			vector> vv;
			// 先开辟杨辉三角的空间
			vv.resize(numRows);
			for (size_t i = 1; i <= numRows; ++i)
			{
				vv[i - 1].resize(i, 0);
				// 每一行的第一个和最后一个都是1
				vv[i - 1][0] = 1;
				vv[i - 1][i - 1] = 1;
			}
			for (size_t i = 0; i < vv.size(); ++i)
			{
				for (size_t j = 0; j < vv[i].size(); ++j)
				{
					if (vv[i][j] == 0)
					{
						vv[i][j] = vv[i - 1][j - 1] + vv[i - 1][j];
					}
				}
			}
			return vv;
		}
	};
 
	void test7()
	{
		vector> vv = Solution().generate(5);
		for (size_t i = 0; i < vv.size(); ++i)
		{
			for (size_t j = 0; j < vv[i].size(); ++j)
			{
				cout << vv[i][j] << " ";
			}
			cout << endl;
		}
	}
}

 

 扩容代码如下：

//reserve扩容
void reserve(size_t n)
{
	size_t sz = size();//提前算出size()的大小，方便后续更新_finish
	if (n > capacity())
	{
		T* tmp = new T[n];
		if (_start)//判断旧空间是否有数据
		{
			memcpy(tmp, _start, sizeof(T) * size());
			delete[] _start;//释放旧空间
		}
		_start = tmp;//指向新空间
	}
	//更新_finish和_endofstoage
	_finish = _start + sz;
	_endofstoage = _start + n;
}

原因：

这里出错的原因在于扩容，错在扩容时调用的memcpy是浅拷贝，导致先前存储的数据被memcpy后再delete就全删掉变成随机值了。

仔细观察调用的这行代码：

vector> vv = Solution().generate(5);

这行代码的意义是有一个vector容器，其内部成员也是一个vector容器，就好比一个二维数组，有n行，每一行都是一个一维数组。画图演示上述测试用例的原因：

总结：

1. vector中，当T设计深浅拷贝的类型时，如：string/vector等等，我们扩容使用memcpy拷贝数据是存在浅拷贝问题。
2. 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。
3. 如果拷贝的是自定义类型的元素，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，就会出错，因为memcpy的拷贝实际是浅拷贝。

• 解决方案：

  reserve扩容时不使用memcpy，改成for循环来解决：

//reserve扩容
void reserve(size_t n)
{
	size_t sz = size();//提前算出size()的大小，方便后续更新_finish
	if (n > capacity())
	{
		T* tmp = new T[n];
		if (_start)//判断旧空间是否有数据
		{
			//不能用memcpy，因为memcpy是浅拷贝
			for (size_t i = 0; i < size(); i++)
			{
				tmp[i] = _start[i];
			}
			delete[] _start;//释放旧空间
		}
		_start = tmp;//指向新空间
	}
	//更新_finish和_endofstoage
	_finish = _start + sz;
	_endofstoage = _start + n;
}