【C++】vector的使用及其迭代器失效问题

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一、vector介绍

1. vector是表示可变大小数组的序列容器。
2. 与数组一样，vector也采用连续的存储空间来存储元素。这意味着可以采用下标对vector的元素进行访问，其效率和数组一样高效。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。当新元素插入的时候，这个数组需要被重新分配大小，以增加存储空间。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，所以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分配空间的策略：vector会分配一些额外的空间以适应可能的增长，所以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. vector占用了更多的存储空间，以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。

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二、vector使用

1. 常用构造函数

构造函数	说明
vector()	无参构造
vector（size_type n, const value_type& val = value_type()）	构造并初始化n个val
vector (const vector& x)	拷贝构造
vector (InputIterator first, InputIterator last)	使用迭代器区间初识化构造

例：

vector<int> v1;//无参构造
vector<int> v2(5, 1);//1, 1, 1, 1, 1
vector<int> v3(v2);//拷贝构造
vector<int> v4(v3.begin(), v3.end());//使用迭代器构造

2. 迭代器

迭代器	说明
begin和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和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

#include 
#include 
using namespace std;
void test()
{
	vector<int> v(5);
	for (int i = 0; i < (int)v.size(); ++i) {
		v[i] = i;
	}
	//0 1 2 3 4
	vector<int>::iterator it = v.begin();
	while (it != v.end()) {
		cout << (*it) << ' ';
		++it;
	}
	cout << endl;
	//4 3 2 1 0
	vector<int>::reverse_iterator rit = v.rbegin();
	while (rit != v.rend()) {
		cout << (*rit) << ' ';
		++rit;
	}
}
int main()
{
	test();
	return 0;
}

3. 空间操作

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

注：

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

代码验证：

#include 
#include 
using namespace std;

void Test()
{
	size_t sz;
	vector<int> 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';
		}
	}
}

int main()
{
	Test();
	return 0;
}

4. 增删查改

接口	说明
push_back	尾插
pop_back	尾删
insert	在pos之前插入val
erase	删除pos位置的数据
swap	交换两个vector的数据空间
operator[]	像数组一样访问

#include 
#include 
using namespace std;

void Test()
{
	// 使用列表方式初始化，C++11新语法
	vector<int> v{ 1, 2, 3, 4 };

	// 在指定位置前插入值为val的元素，比如：3之前插入30,如果没有则不插入
	// 1. 先使用find查找3所在位置
	// 注意：vector没有提供find方法，如果要查找只能使用STL提供的全局find
	auto pos = find(v.begin(), v.end(), 3);
	if (pos != v.end())
	{
		// 2. 在pos位置之前插入30
		v.insert(pos, 30);
	}

	//1 2 30 3 4
	vector<int>::iterator it = v.begin();
	while (it != v.end())
	{
		cout << *it << " ";
		++it;
	}
	cout << endl;

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

	//1 2 30 4
	it = v.begin();
	while (it != v.end()) {
		cout << *it << " ";
		++it;
	}
	cout << endl;
}

int main()
{
	Test();
	return 0;
}

5. 动态二维数组

以杨辉三角的前n行为例

#include 
#include 
using namespace std;
void generate(size_t n)
{
	// 使用vector定义二维数组vv
	// vv中的每个元素都是vector
	vector<vector<int>> vv(n);
	// 将二维数组每一行中的vecotr中的元素全部设置为1
	for (size_t i = 0; i < n; ++i)
		vv[i].resize(i + 1, 1);
	// 给杨辉三角第一列和对角线的所有元素赋值
	for (int i = 2; i < n; ++i) {
		for (int j = 1; j < i; ++j) {
			vv[i][j] = vv[i - 1][j] + vv[i - 1][j - 1];
		}
	}
	for (auto& v : vv) {
		for (auto& e : v) {
			cout << e << ' ';
		}
		cout << endl;
	}
}
int main()
{
	generate(5);
	return 0;
}

vector> vv(n)构造一个vv动态二维数组，vv中总共有n个元素，每个元素都是vector类型的，每行没有包含任何元素，如果n为5如图:

vv中元素填充完成之后:

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三、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)。

1. 扩容导致迭代器失效

例：下面的情况程序都会崩溃

#include 
#include 
using namespace std;

void Test()
{
	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1填充，操作期间底层会扩容
	// v.resize(100, 1);
	
	// 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 << endl;
}

int main()
{
	Test();
	return 0;
}

出错原因：
以上操作，都有可能会导致vector扩容，也就是说vector底层原来旧空间被释放掉， 而在打印时，it还使用的是释放之前的旧空间，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. erase导致迭代器失效

#include 
#include 
using namespace std;

void Test()
{
	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
	auto 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
}

int main()
{
	Test();
	return 0;
}

erase删除pos位置元素后，pos位置之后的元素会往前移，没有导致底层空间的改变，理论上讲迭代器应该不会失效，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，vs的检查是很严格的。

以下代码的功能是删除vector中所有的偶数，请问那个代码是正确的，为什么？

#include 
#include 
using namespace std;
#define RUN2

int main()
{
	vector<int> v{ 1, 2, 3, 4 };
	auto it = v.begin();
//代码1
#ifdef RUN1
	while (it != v.end()) {
		if (*it % 2 == 0)
			v.erase(it);
		++it;
	}
#endif
//代码2
#ifdef RUN2
	while (it != v.end()) {
		if (*it % 2 == 0)
			it = v.erase(it);
		else
			++it;
	}
#endif
	for (int& e : v) {
		cout << e << ' ';
	}
	return 0;
}

经过前面的分析，我们可以知道代码2是正确的。

3. g++对迭代器失效的处理

注意：Linux下，g++编译器对迭代器失效的检测并不是非常严格，处理也没有vs下极端

1. 扩容之后，迭代器已经失效了，程序虽然可以运行，但是运行结果已经不对了

#include 
#include 
using namespace std;

int main()
{
	vector<int> v{ 1,2,3,4,5 }; 
	for (size_t i = 0; i < v.size(); ++i) 
		cout << v[i] << " ";
	cout << endl; 
	auto it = v.begin();
	cout << "before: " << v.capacity() << endl;
	// 通过reserve将底层空间设置为100，目的是为了让vector的迭代器失效
	v.reserve(100);
	cout << "after: " << v.capacity() << endl;
	// 经过上述reserve之后，it迭代器肯定会失效
	// 在vs下程序就直接崩溃了，但是linux下不会 
	// 虽然可能运行，但是输出的结果是不对的
	while (it != v.end()) {
		cout << *it << " "; ++it;
	}
	cout << endl;
	return 0;
}

2. erase删除任意位置后，linux下迭代器并没有失效。 因为空间还是原来的空间，后序元素往前移了，it的位置还是有效的

#include 
#include 
#include 
using namespace std;
int main()
{
	vector<int> v{ 1,2,3,4,5 };
	auto it = find(v.begin(), v.end(), 3);
	v.erase(it);
	cout << *it << endl;
	while (it != v.end()) {
		cout << *it << " ";
		++it;
	}
	cout << endl;
	return 0;
}

3. erase删除的迭代器如果是最后一个元素，删除之后it已经超过end 。 此时迭代器是无效的，++it导致程序崩溃

#include 
#include 
#include 
using namespace std;

int main()
{
	vector<int> v{ 1,2,3,4,5 };
	// vector v{1,2,3,4,5,6}; // --> Segmentation fault
	auto it = v.begin();
	while (it != v.end()) {
		if (*it % 2 == 0)
			v.erase(it); 
		++it;
	}
	for (auto e : v)
		cout << e << " "; 
	cout << endl;
	return 0;
}

从上述三个例子中可以看到：SGI STL（g++使用的STL版本）中迭代器失效后，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，是肯定会崩溃的

与vector类似，string在插入、扩容操作和erase之后，迭代器也会失效

总之，使用迭代器应注意迭代器失效问题，解决办法是：在使用前，对迭代器重新赋值即可

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