【STL容器】vector

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前言

vector是STL的容器，它提供了动态数组的功能。
注：文章出现的代码并非STL库里的源码，只是对源码的简单化处理

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vector

1.1 vector的定义

vector的成员变量是3个迭代器，用来管理一段线性连续空间

具体如下图：

1.2 vector的迭代器

vector的迭代器是指针,且属于随机迭代器
vector所管理的是一个连续线性的空间，因此无论类型如何，普通的指针就可以很好的解决问题。

注：
随机迭代器，在支持双向移动的基础上，支持前后位置的比较、随机存取、直接移动n个距离。

模拟如下：

template<class T>
class vector
{
public:
	typedef T* iterator;
	typedef const T* const_iterator;

private:
	iterator _start;
	iterator _finish;
	iterator _end_of_storage;
};

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1.3 vector的元素操作

1.3.1 Member function

构造函数

这里我们先不管空间配置器(allocator),以及explicit关键字.
简化上面的3个红框的部分

//1.
vector();
//2.
vector(size_t n, const T& t = T());
//3.
template<class InputIterator>
vector(InputIterator first, InputIterator last);

简化后1和2就容易理解了，但可能对于3还有些困惑
它的使用如下：

简化实现如下：

template<class InputIterator>
vector(InputIterator first, InputIterator last)
{
	while(first != last)
	{
		this->push_back(*first);
		++first;
	}
}

赋值运算符重载
对于赋值运算符重载函数，有一种现代的写法

//现代写法
void swap(vector<T>& tmp)
{
	std::swap(_start, tmp._start);
	std::swap(_finish, tmp._finish);
	std::swap(_end_of_storage, tmp._end_of_storage);
}
vector<T>& operator=(vector<T> tmp)
{
	swap(tmp);
	return *this;
}
//传统写法
vector<T>& operator=(const vector<T>& v)
{
	if(this != &v)
	{
		clear();
		detele[] _start;
		iterator tmp = new T[v.capacity()]
		_start = tmp;
		_finish = tmp + v.size();
		_end_of_storage = tmp + v.capacity();
		for(size_t i = 0; i < v.size(); i++)
		{
			_start[i] = v[i];
		}
	}
	return *this;
}

我们浅浅分析一下，
传统的赋值逻辑是先将原空间删除，再开辟一个新空间，然后将数据慢慢拷贝过去。
现代的赋值逻辑，operator=的形参tmp不是引用，是通过拷贝构造得到的局部对象，然后通过swap()， 将tmp与this的数据进行交换，这样this指向了它想要的空间，而tmp指向了旧空间，又因为tmp是局部对象，等operator=函数结束时，tmp会自动调用析构函数，释放tmp指向的空间，也就是原来的旧空间。
相比原来的旧空间，不但减少了代码，更减少了错误。

注：有些人在用传统方法写赋值运算符重载时，会犯一个严重的错误，就是使用memcpy对原来的数据进行拷贝。

错误：memcpy(_start, v._start, sizeof(T)*v.size());
正确：for(size_t i = 0; i < v.size(); i++)
{ _start[i] = v[i]; }

这是比较典型的值拷贝问题，如果vector存储的类型T是内置类型，没什么事，但如果是自定义类型， 指针则会出错

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1.3.2 capacity

上面的问题也容易出现在reserve
reserve()
作用:开辟空间到n，但如果n < capacity,则不会变。总结一句，只接受变大。

void reserve(size_t n)
		{
			
			if (n > capacity())
			{
				size_t len = size();
				iterator tmp = new T[n];
				for (size_t i = 0; i < len; i++)
				{
					tmp[i] = _start[i];
				}
				delete[] _start;
				_start = tmp;
				_finish = _start + len;
				_endofstorage = _start + n;
			}
		}

resize
强制将size改到n

1. 如果sz > n,则删除数据
2. 如果sz < n,则扩容，并填入t

void resize(size_t n, const T t = T())
		{
			if (n < size())
			{
				_finish = _start + n;
			}
			else
			{
				if (n > capacity()) reserve(n);
				for (iterator i = _finish; i < _start + n; i++)
				{
					*i = t;
				}
				_finish = _start + n;
			}
		}

1.3.3 modify

这里介绍一些insert和erase

erase()

模拟：

iterator erase(iterator pos)
{
    assert(pos >= _start && pos < _finish);
    iterator it = pos;
    while (it != _finish)
    {
        *it = *(it + 1);
        ++it;
    }
    --_finish;
    return pos;
}
iterator erase(iterator first, iterator last)
{
	assert(first >= _start && first < _finish);
	assert(last >= _start && last <= _finish);
	assert(first<= last);
	iterator it = first;
	while(last != _finish)
	{
		*it = *last;
		++it, ++last;	
	}
	_finish = it;
	return it;
}

insert

void insert(iterator pos, const T& t)
{
	assert(pos >= _start && pos <= _finish);
	if (_finish == _endofstorage)
	{
		size_t n = capacity() == 0 ? 4 : 2 * capacity();
		reserve(n);
	}
	iterator end = _finish;
	while (end > pos)
	{
		*end = *(end - 1);
		--end;
	}
	*pos = t;
	_finish++;
}

注：在对容器的修改，一定要注意迭代器失效的问题
以erase为例

在某些平台，上面的代码是会报错的，比如vs编译器。
逻辑是这样的，v.erase(it)将it所对应位置的数据删除，删除后it就不应该具有再次访问的权利，因为这有非法访问的可能。对于vector这种连续的空间，删除数据后，后面的数据会往前补上。但如果是像list的这样的链表，删除后，iterator指向的将是一块已经被释放的空间。这很明显不对。因此，编译器决定将这样的迭代器判定为失效。但并不是所有的编译器都会这样做。比如linux下的g++对于上面的代码就不会报错。

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1.4 vector的优缺点

std::vector 是 C++ STL 提供的一个非常有用的动态数组容器，它有许多优点和一些局限性，以下是其主要优缺点：

优点：

1. 快速随机访问：由于元素在内存中是连续存储的，vector 允许在常量时间内进行随机访问，这意味着可以通过索引快速访问任何元素。

2. 动态大小：vector 允许在运行时动态增加或减少其大小，这使得它非常适合需要动态分配内存的情况。

3. 自动内存管理：vector 会自动处理内存的分配和释放，无需手动管理内存，这可以减少内存泄漏和其他与手动内存管理相关的问题。

4. 迭代器支持：vector 支持迭代器，你可以使用迭代器来遍历容器中的元素，执行各种操作，如查找、排序等。

5. 元素复制和移动：vector 可以容纳各种数据类型，包括内置类型和用户自定义类型。它会在容器内部复制或移动元素的副本，而不影响原始对象。

缺点：

1. 插入和删除效率较低：在 vector 中插入或删除元素涉及到移动其他元素，因此插入和删除操作的效率较低。如果需要频繁的插入和删除操作，可能有更适合的容器，如 std::list 或 std::deque。

2. 内存浪费：vector 会预留一定的内存容量以容纳更多的元素，这可能导致内存浪费，特别是当你不确定容器的最终大小时。可以使用 reserve() 来手动管理内存分配，但仍可能存在浪费。

3. 固定的增长策略：vector 的内部实现通常采用固定的增长策略，即每次扩容都会分配一块更大的内存并复制元素。这可能导致一些性能问题，特别是在大规模元素插入时。如果需要更高效的动态数组，可以考虑使用 std::deque 或其他容器。

4. 不适用于复杂的插入操作：如果需要在中间或开头插入元素并保持高效性能，vector 可能不是最佳选择，因为插入元素后需要移动大量元素。