＜C++＞详解vector类
1. vector的介绍
vector的文档介绍
- vector是表示可变大小数组的序列容器。
- 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。
- 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。
- 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。
- 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。
- 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。比起lists和forward_lists统一的迭代器和引用更好
2. vector的使用
2.1 vector的定义
| vector构造函数声明 | 接口说明 |
|---|---|
| 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); | 使用迭代器进行初始化构造 |
void test1()
{
vector<int> v1;
v1.push_back(1);
v1.push_back(2);
v1.push_back(3);
vector<double> v2;
v2.push_back(1.1);
vector<string> v3;
v3.push_back("abc");
v3.push_back("天影云光");// 单参数的构造函数支持隐式类型转换
vector<int> v4(10, 5);// 10个5
vector<string> v5(++v3.begin(), v3.end());// 迭代器
string s = "hello world";
vector<char> v6(s.begin(), s.end());// 不一定要本类型的迭代器
}
2.2 vector遍历操作
这部分内容和string很像
| 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_ |
void test2()
{
vector<int> v;
v.push_back(1);
v.push_back(2);
v.push_back(3);
v.push_back(4);
v.push_back(5);
// 1、下标+[]
for (size_t i = 0; i < v.size(); i++)
{
v[i]++;
cout << v[i] << " ";
}
cout << endl;
// 2、迭代器
vector<int>::iterator it = v.begin();
while (it != v.end())
{
(*it)--;
cout << *it << " ";
it++;
}
cout << endl;
// 3、范围for
for (auto e : v)
{
cout << e << " ";
}
cout << endl;
}
2.3 vector空间增长
| **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放入capacity |
vs下是1.5倍增容；linux g++ SGI版本2倍增容
这样增容的原因是：单次增多了会浪费空间，增少了要频繁增容。两者均衡考虑1.5倍到2倍增容速度比较合适
void test3()
{
//vector v;
//cout << v.max_size() << endl;// 最大字节数÷类型大小
// 增容机制大概是1.5倍增容
size_t sz;
std::vector<int> foo;
//foo.reserve(100);// 提前扩容
sz = foo.capacity();
std::cout << "making foo grow:\n";
for (int i = 0; i < 100; ++i) {
foo.push_back(i);
if (sz != foo.capacity()) {
sz = foo.capacity();
std::cout << "capacity changed: " << sz << '\n';
}
}
vector<int> v1;
v1.resize(100, 2);// 初始化
// vector和string一样，删除数据不会主动缩容
foo.resize(10);
cout << foo.size() << endl;
cout << foo.capacity() << endl;
// 缩容（本质上是深拷贝转移数据），时间换空间
foo.shrink_to_fit();
cout << foo.size() << endl;
cout << foo.capacity() << endl;
}
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 |
| at | 用法跟operator[]一样，区别是：当发生越界行为时，at是抛异常，operator[]是报出assert错误 |
| sort | 默认升序排序，可以用仿函数实现降序（要包含algorithm头文件） |
void test4()
{
vector<int> v;
v.push_back(1);
v.push_back(2);
v.push_back(3);
v.push_back(4);
v.push_back(5);
v.insert(v.begin(), -1);// 头插
v.insert(v.begin(), -2);
v.insert(v.begin() + 3, 10);// 在第3个位置插入
for (auto e : v)
{
cout << e << " ";
}
cout << endl;
v.erase(v.begin());// 头删
for (auto e : v)
{
cout << e << " ";
}
cout << endl;
//vector::iterator pos = find(v.begin(), v.end(), 2);
auto pos = find(v.begin(), v.end(), 2);
if (pos != v.end())
{
cout << "find" << endl;
v.erase(pos);
}
else
{
cout << "没找到" << endl;
}
//sort(v.begin(), v.end());// 升序
// 用仿函数实现降序
sort(v.begin(), v.end(), greater<int>());
for (auto e : v)
{
cout << e << " ";
}
cout << endl;
}
3. 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
1️⃣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
以insert为例，会产生野指针导致迭代器失效
void test()
{
vector<int> v;
v.push_back(1);
v.push_back(2);
v.push_back(3);
v.push_back(4);
auto it = v.begin();
while (it!=v.end())
{
if (*it%2==0)
{
//v.insert(it, 20);
it = v.insert(it, 20);// 扩容后，it不是原来的it了，迭代器失效。it变成了野指针，所以我们要更新it再++
++it;// 插入新数据后，如果不加这句就会每次都在2之前插入20
}
++it;
}
2️⃣指定位置元素的删除操作–erase
void test()
{
vector<int> v;
v.push_back(1);
v.push_back(2);
v.push_back(3);
v.push_back(4);
v.push_back(5);
auto pos = find(v.begin(), v.end(), 2);
if (pos != v.end())
{
v.erase(pos);// 删除pos位置的数据，导致pos迭代器失效。
}
cout << *pos << endl;// 导致非法访问。我们要更新pos才能正常运行，虽然更新pos好像无济于事。失效了直接用是不可以的，但是给你返回了一个可能是无效的地址，那么这个就不是失效了，只是在运行的时候可能访问出错误的数据，相当于是运行时错误
*pos = 10;
cout << *pos << endl;
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。
- 意义变了，或者不在有效访问数据的范围内
- 一般不会采用缩容方案，那么earse的失效原因，一般不会是野指针的失效
总结vector迭代器失效有两种：
- 扩容缩容，导致野指针出现
- 迭代器指向的位置意义变了
迭代器失效解决办法：在使用前，要记得对迭代器重新赋值
4. vector和string
vector和string有很多相似的地方，既然vector能支持那么多类型，我们为什么要有string呢
因为：string用ascii码比较大小更专业；string支持流插入的输出；string删除的是字符串……
总之术业有专攻，如果想处理字符串，用string更专业
5. vector的模拟实现
库里面是用class vector，为了区分，我们能把vector写成大写Vector；或者增加一层命名空间，在命名空间里写vector，不过在用的时候要记得调用命名空间里的vector类
以下用的是第二种写法tyyg::class vector
#pragma once
#include & v)
vector(const vector& v)// 这样写也行
: _start(nullptr)
, _finish(nullptr)
, _endOfStorage(nullptr)
{
vector<T> tmp = vector(v.begin(), v.end());
swap(tmp);
}
//vector(size_t n, const T& val = T())// size_t会导致类型错配到(InputIterator first, InputIterator last)
vector(int n, const T& val = T())// 缺省值不确定类型，y
: _start(nullptr)
, _finish(nullptr)
, _endOfStorage(nullptr)
{
resize(n, val);
}
vector(size_t n, const T& val = T())
: _start(nullptr)
, _finish(nullptr)
, _endOfStorage(nullptr)
{
resize(n, val);
}
vector<T>& operator=(vector<T> v)
{
swap(v);
return *this;
}
~vector()
{
if (_start)
{
delete[] _start;
_start = _finish = _endOfStorage = nullptr;
}
}
size_t size()
{
return _finish - _start;
}
size_t capacity()
{
return _endOfStorage - _start;
}
void reserve(size_t n)
{
size_t sz = size();
if (n > capacity())
{
T* tmp = new T[n];
if (_start)
{
//memcpy(tmp, _start, size() * sizeof(T));// 只能实现浅拷贝
for (size_t i = 0; i<size(); ++i)// 解决更深层次深拷贝
{
tmp[i] = _start[i];
}
delete[] _start;
}
_start = tmp;
}
_finish = _start + sz;// 这里要小心，_start已经改变了，size()=_finish-_start;这里不能用size()
_endOfStorage = _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 == _endOfStorage)
{
reserve(capacity() == 0 ? 4 : 2 * capacity());
}
*_finish = x;
++_finish;*/
insert(end(), x);
}
void pop_back()
{
/*assert(size());
_finish--;*/
erase(end()-1);// end()返回临时变量，常性，不能--
}
T& operator[](size_t pos)
{
assert(pos < size());
return _start[pos];
}
const T& operator[](size_t pos) const
{
assert(pos < size());
return _start[pos];
}
iterator insert(iterator pos, const T& x)// 返回值解决迭代器失效问题;pos不传引用是因为怕v.begin（）
{
assert(pos >= _start && pos <= _finish);
if (size()==capacity())
{
size_t n = pos - _start;
reserve(capacity() == 0 ? 4 : capacity() * 2);
// 更新空间后也要更新pos地址，否则会迭代器失效
pos = _start + n;
}
iterator end = _finish;
while (end > pos)
{
*end = *(end - 1);
end--;
}
*pos = x;
_finish++;
return pos;
}
// 一般vector删除数据，都不考虑缩容方案
// 缩容方案：size()
iterator erase(iterator pos)
{
assert(pos >= _start && pos < _finish);
iterator start = pos;
while (start < _finish - 1)
{
*start = *(start + 1);
++start;
}
--_finish;// 如果earse最后一个，直接--，start要小心越界
return pos;
}
void clear()
{
_finish = _start;
}
private:
iterator _start;
iterator _finish;
iterator _endOfStorage;
};
}