STL库：vector
STL库：vector
文章目录
- STL库：vector
-
- 1.STL库对vector的官方介绍
- 2.vecotr的常用接口
-
- 2.1 vector的构造函数
- 2.2 vector的迭代器与遍历操作
- 2.3 vector的容量操作
- 2.4 vector的访问操作
- 2.5 vector的修改操作
- 3.vector迭代器失效问题
-
- 3.1 insert导致的迭代器失效
- 3.2 erase导致迭代器失效
- 4.vector的底层结构了解
- 5.vector的模拟实现
-
- 5.1 vector的结构
- 5.2 vector的迭代器
- 5.3 vector的默认成员函数
- 5.4 vector的容量操作
- 5.5 vector的访问操作
- 5.6 vector的修改操作
- 5.7 vector的深浅拷贝问题
- 6.vector实现的动态二维数组
1.STL库对vector的官方介绍
- 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.vecotr的常用接口
2.1 vector的构造函数
- vecotr()：无参构造（构造一个没有元素的空容器，size = 0）
- vector (size_type n, const value_type& val = value_type())：构造一个包含 n 个元素的容器，元素值为 val
- vector (const vector& x)：拷贝构造
template（函数模板）：使用迭代器进行初始化构造 [first,last)vector (InputIterator first, InputIterator last);
#include fifth (arr, arr + sizeof(arr) / sizeof(int) );
// first : []
// second: [100,100,100,100]
// third : [100,100,100,100]
// fourth: [100,100,100,100]
// fifth : [16,2,77,29]
}
2.2 vector的迭代器与遍历操作
- begin(iterator / const_iterator)：返回指向第一个元素的迭代器
- rbegin(reverse_iterator / const_reverse_iterator)：反向迭代器（可以反向遍历对象）
- end():返回指向最后一个元素的下一个位置的迭代器
- rend()：反向迭代器
- 范围for:C++11 支持更简介的范围 for 的新遍历方式（底层其实是被替换成迭代器，所以支持迭代器就支持范围for)
解释：正向迭代器其实就是一个原生指针 T，反向迭代器不是原生指针，因为原生指针是无法实现 rit++ 倒着走的，是一个被封装的类对象，重载了++运算符，实现了 rit++ 倒着走*
void test1()
{
vector<int> v;
v.push_back(1);
v.push_back(2);
v.push_back(3);
v.push_back(4);
// 遍历vector
// 1. []运算符
for (size_t i = 0; i < v.size(); i++)
{
cout << v[i] << " ";
}
cout << endl;
// 2. 迭代器
vector<int>::iterator it = v.begin();
while (it != v.end())
{
cout << *it << " ";
it++;
}
cout << endl;
// 3. 范围for
for (auto& e : v)
{
cout << e << " ";
}
cout << endl;
}
2.3 vector的容量操作
- size()：返回容器中有效元素个数
- resize()：调整容器的有效元素大小（size）
- capacity()：返回分配的存储容量大小（即有效元素的最大容量）
- reserve()：调整容器的容量大小（capacity）
- empty()：判断容器是否为空
1.resize函数：开空间+初始化
void resize (size_type n, value_type val = value_type()); //resize函数原型
//value_type() 是缺省值，是调用 value_type 类型的默认构造函数构造的一个匿名对象
//resize举例
void test3()
{
vector<char> v;
v.resize(10); // v中的10个有效元素全是缺省值'\0'
}
2.reserve函数：只开空间
void reserve (size_type n);//reserve函数原型
//reserve举例
void test3()
{
vector<int> v;
v.reserve(10); // 有效元素个数 size = 0，只是开了空间 capacity = 10
//插入数据错误写法
for (size_t i = 0; i < 10; i++)
{
v[i] = i; // 违规访问，有效数据个数size为0，不能访问它
}
//插入数据正确写法
for (size_t i = 0; i < 10; i++)
{
v.push_back(i);
}
}
2.4 vector的访问操作
- operator[]：可以像数组一样访问 vector（一般物理地址是连续的才支持）
- back：返回容器中最后一个元素的引用
- front：返回容器中第一个元素的引用
// []运算符重载函数返回容器中位置 n 处元素的引用 // 函数内部会检查越界 reference operator[] (size_type n); const_reference operator[] (size_type n) const;
2.5 vector的修改操作
- push_back()：在末尾添加一个元素，有效元素个数加1
- pop_back()：删除最后一个元素，有效元素个数减1
- insert()：在指定迭代器位置的元素之前插入新元素来扩展容器
- erase()：从容器中删除单个元素（迭代器位置）或一系列元素（迭代器区间
[first,last)）- swap()：交换两个容器的内容
- clear()：清空容器中所有有效元素，使容器大小 size 为 0
1.insert与erase函数的了解：
//insert：返回指向第一个新插入元素的迭代器
iterator insert (iterator position, const value_type& val); // 插入单个元素
//erase：返回被删除元素下一个位置的迭代器
iterator erase (iterator position); // 删除单个元素
2.swap函数的了解：
void swap (vector& x);//swap函数原型
vector<int> v1(2, 10); // v1 = [10, 10]
vector<int> v2(5, 50); // v2 = [50, 50, 50 ,50 ,50]
v1.swap(v2);
// v1 = [50, 50, 50 ,50 ,50]
// v2 = [10, 10]
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会引起其底层空间改变的操作，都有可能会导致其迭代器失效，比如：resize、reserve、insert、assign、push_back、erase（指定位置元素的删除操作）等等
3.1 insert导致的迭代器失效
insert操作导致迭代器失效的验证：
1.insert：指定位置之前插入元素操作引发迭代器失效
void test6()
{
// 迭代器失效问题 -- 类似野指针问题
vector<int> v;
v.push_back(1);
v.push_back(2);
v.push_back(3);
vector<int>::iterator pos = find(v.begin(), v.end(), 2);
if (pos != v.end())
{
v.insert(pos, 20); // 在pos之前插入20
/*
* 如果想要继续通过迭代器操作 vector 中的元素，需要给 pos 重新赋值
* 即 pos = v.insert(pos, 20); // 函数返回指向新插入元素的迭代器
*/
}
// 在insert之后，pos迭代器位置就失效了，不能再去访问了 -- insert时增容导致的
//cout << *pos << endl;
//*pos = 200;
}
//VS2019下验证，程序崩溃
//Linux下验证，虽然没有崩溃（和具体实现、增容机制以及检查机制有关），但也认为失效了
那么我们提前把空间开好，在同一块空间下，又是什么情况呢？
void test7()
{
// 迭代器失效问题 -- 类似野指针问题
vector<int> v;
v.reserve(5); // 提前开好空间，防止后续插入元素时发生扩容
v.push_back(1);
v.push_back(2);
v.push_back(3);
vector<int>::iterator pos = find(v.begin(), v.end(), 2);
if (pos != v.end())
{
v.insert(pos, 20); // 在pos之前插入20
/*
* 如果想要继续通过迭代器操作 vector 中的元素，需要给 pos 重新赋值
* 即 pos = v.insert(pos, 20); // 函数返回指向新插入元素的迭代器
*/
}
// 在insert时空间足够，没有增容，但我们依旧认为pos迭代器位置失效了，不能再去访问了
// 这里的失效是指pos位置的意义变了，pos不再指向原来的值
//cout << *pos << endl;
//*pos = 200;
}
//VS2019下验证，程序崩溃（VS会进行检查）
//Linux下验证，虽然没有崩溃（和具体实现、检查机制有关），但也认为失效了
总结：
- 指定位置之前插入元素操作（insert）导致迭代器失效的两种场景：
- insert 插入元素时增容，pos 还指向已被释放的空间（非法空间），所以 pos 位置迭代器失效
- insert 插入元素时没有增容，但 pos 位置意义变了，不再指向原来的值，所以 pos 位置迭代器失效
- vector 插入元素过程中可能会发生扩容，挪动数据，因此当前迭代器和后面所有元素的迭代器都失效
- 失效后，我们都不要去访问 pos 位置，否则可能出现各种意外情况
3.2 erase导致迭代器失效
void test8()
{
// 迭代器失效问题 -- 类似野指针问题
vector<int> v;
v.push_back(1);
v.push_back(2);
v.push_back(3);
vector<int>::iterator pos = find(v.begin(), v.end(), 2);
if (pos != v.end())
{
v.erase(pos); // 删除pos位置的元素
/*
* 如果想要继续通过迭代器操作 vector 中的元素，需要给 pos 重新赋值
* 即 pos = v.erase(pos); // 返回指向被删除元素下一个w的迭代器
*/
}
// 在erase之后，pos迭代器位置就失效了，不能再去访问了
// 这里的失效是指pos位置的意义变了，pos不再指向原来的值
//cout << *pos << endl;
//*pos = 200;
}
//VS2019下验证，程序崩溃（VS会进行检查）
//Linux下验证，虽然没有崩溃（和具体实现、检查机制有关），但也认为失效了
总结：
- vector 删除元素过程中会牵扯到移动数据，因此当前迭代器和后面所有元素的迭代器都失效
- vector 插入或删除元素会导致当前迭代器和后面所有元素的迭代器失效
- 迭代器失效解决办法：在使用前，对迭代器重新赋值即可
- 如果想要继续通过迭代器操作 vector 中的元素，需要给 pos 重新赋值
4.vector的底层结构了解
首先我们来看看官方源码，SGI版本STL-vector的实现：
template <class T, class Alloc = alloc>
class vector {
public:
typedef T value_type;
typedef value_type* iterator; // 指向数组空间的指针T*是天然的d
// ...
protected:
// ...
iterator start;
iterator finish;
iterator end_of_storage; // 成员变量是三个T*类型的指针
// ...
};
官方底层结构的剖析理解图：
我们再来看一下源码中 push_back 尾插接口的实现：
定位 new 表达式在实际中一般是配合内存池使用。因为 vector 的空间是从内存池来的，内存池分配出的空间是没有初始化的，该空间存放的是哪个自定义类型对象，就使用定位 new 表达式显示调用其构造函数进行初始化
5.vector的模拟实现
5.1 vector的结构
#pragma once
#include5.2 vector的迭代器
namespace winter
{
//T: 模板参数，指vector中存放数据的类型
template<class T>
class vector
{
public:
/*******************************************************/
// 迭代器
// iterator是内嵌类型，在vector类域里面定义的类型
// vector的迭代器是一个原生指针
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; }
private:
iterator _start; // 指向数组的开始
iterator _finish; // 指向最后一个有效元素的下一个位置
iterator _end_of_storage; // 指向空间结束的下一个位置
public:
// ...
// ...
};
}
5.3 vector的默认成员函数
1.构造函数
// 无参构造
vector()
:_start(nullptr)
, _finish(nullptr)
, _end_of_storage(nullptr)
{}
// 使用迭代器进行初始化构造 [first,last)
// 注意：若使用vector的 iterator 做形参，会导致初始化的迭代器区间[first,last)只能是vector的迭代器
/*
* 类模板的成员函数模板，可以自己定义模板参数，比如：
* 这样写的好处是可以传其它容器的迭代器（string、list ...）
* 而不是仅限于用 vector 自己的迭代器 iterator，
* 只要解引用后数据的类型能够和 vector 数据的类型匹配。
*/
template<class InputIterator>
vector(InputIterator first, InputIterator last) // [first,last)
:_start(nullptr)
, _finish(nullptr)
, _end_of_storage(nullptr)
{
while (first != last)
{
push_back(*first);
first++;
}
}
2.拷贝构造函数
/* 拷贝构造（深拷贝）的2种传统写法 */
//传统写法
// 拷贝构造（深拷贝）
// v2(v1)
vector(const vector<T>& v)
:_start(new T[v.capacity()])
, _finish(_start + v.size())
, _end_of_storage(_start + v.capacity())
{
memcpy(_start, v._start, sizeof(T) * v.size()); // 拷贝元素
}
// 拷贝构造（深拷贝），传统写法2 -- 推荐，好处在括号中
// v2(v1)
vector(const vector<T>& v)
:_start(nullptr)
, _finish(nullptr)
, _end_of_storage(nullptr)
{
reserve(v.capacity()); // 调整新容器容量大小（这样的好处是：一次性把空间开好，效率高）
for (const auto& e : v) // 尾插元素到新容器中（复用push_back函数）
push_back(e);
}
//---------------------------------------------------------------------------------
//现代写法
// 拷贝构造（深拷贝）
// v2(v1)
vector(const vector<T>& v)
:_start(nullptr) // 当前对象是一个正在构造的对象，成员变量还未初始化，是一个随机值，所以先置空
, _finish(nullptr)
, _end_of_storage(nullptr)
{
vector<T> tmp(v.begin(), v.end()); // 拿v的内容，调用构造函数构造一个临时对象tmp
this->swap(tmp); // 将临时对象tmp和当前对象的成员变量分别进行交换
}
3.赋值运算符重载
//传统写法
// 赋值运算符重载（深拷贝）
// v2 = v1
vector<T>& operator=(const vector<T>& v)
{
if (this != &v) // 防止自己给自己赋值
{
// 释放原空间
delete[] _start;
_start = _finish = _end_of_storage = nullptr;
// 插入元素
reserve(v.capacity()); // 调整容量大小
for (const auto& e : v)
push_back(e);
_finish = _start + v.size();
_end_of_storage = _start + v.capacity();
}
return *this;
}
//---------------------------------------------------------
//现代写法
// 赋值运算符重载（深拷贝）
// v2 = v1
vector<T>& operator=(vector<T> v) // 通过传值传参，拷贝构造出临时对象
{
this->swap(v); // 交换临时对象和当前对象的内容
return *this; // 返回当前对象
}
4.swap函数
//交换两个容器的内容
//swap函数方便实现拷贝构造和赋值重载的现代写法
// v1.swap(v2)
void swap(vector<T>& v)
{
// 函数名冲突，指定去调用全局域里面的std::swap
std::swap(_start, v._start);
std::swap(_finish, v._finish);
std::swap(_end_of_storage, v._end_of_storage);
}
5.析构函数
~vector()
{
delete[] _start;
_start = _finish = _end_of_storage = nullptr;
}
5.4 vector的容量操作
1.size()、capacity()、empty()
size_t size() const // 有效元素个数
{
return _finish - _start;
}
size_t capacity() const // 容量大小
{
return _end_of_storage - _start;
}
bool empty() const // 判空
{
return size();
}
2.reserve()
// 调整容器的容量大小（capacity）
void reserve(size_t n)
{
if (n > capacity()) // 如果n大于当前 capacity 大小
{
size_t oldSize = size(); // 提前保存下旧空间size大小，便于后面更新_finish
T* tmp = new T[n]; // 开辟并初始化新空间，n个T类型的对象
if (_start)
{
// void * memcpy ( void * destination, const void * source, size_t num );
memcpy(tmp, _start, sizeof(T) * oldSize); // 旧空间元素拷贝到新空间（浅拷贝）
delete[] _start; // 释放旧空间
}
_start = tmp; // 指向新空间
_finish = _start + oldSize; // 更新有效元素长度
_end_of_storage = _start + n; // 更新容量
}
}
5.5 vector的访问操作
// []运算符重载，普通版本和 const 版本
T& operator[](const size_t pos)
{
assert(pos >= 0 && pos < size()); // 检查越界
return _start[pos];
}
T& operator[](const size_t pos) const
{
assert(pos >= 0 && pos < size()); // 检查越界
return _start[pos];
}
5.6 vector的修改操作
1.insert()：注意迭代器失效问题
iterator insert(iterator pos, const T& val = T())
{
assert(pos >= _start && pos <= _finish);
size_t len = pos - _start; // 记录下pos相对_start的长度
if (_finish == _end_of_storage) // 先检查是否需要扩容
{
size_t newcapacity = capacity() == 0 ? 4 : 2 * capacity();
reserve(newcapacity);
// 注意：扩容后，pos还指向旧空间，pos位置迭代器已失效，需要重置pos
pos = _start + len; // 解决迭代器失效问题⭐
}
// 往后挪动元素
for (iterator end = _finish; end > pos; end--)
{
*end = *(end - 1);
}
*pos = val; // 在pos迭代器位置处插入元素
_finish++; // 有效元素长度+1
return pos; // 返回指向第一个新插入元素的迭代器⭐
// pos是传值传参，形参改变不会影响实参，所以更需要返回pos
}
2.erase()：注意迭代器失效问题
iterator erase(iterator pos)
{
assert(pos >= _start && pos < _finish);
// 往前挪动元素
for (iterator it = pos + 1; it < _finish; it++)
{
*(it - 1) = *it;
}
_finish--; // 有效元素长度-1
return pos; // 返回指向被删除元素下一个位置的迭代器⭐
}
3.push_back()：
void push_back(const T& x)
{
//方法一
if (_finish == _end_of_storage) // 先检查是否需要增容
{
size_t newcapacity = capacity() == 0 ? 4 : 2 * capacity();
reserve(newcapacity);
}
*_finish = x; // 尾插元素
_finish++;
//方法二：复用 insert 函数的代码
insert(_finish, x);
}
4.pop_back()：
void pop_back()
{
//方法一
assert(!empty());
_finish--;
//方法二：复用 erase 函数的代码
erase(--end());
}
5.7 vector的深浅拷贝问题
我们在底层源码可以看到vector::reserve()中使用了memcpy()对数据进行字节序拷贝，这会引发浅拷贝问题
1.memcpy浅拷贝问题的验证：
void test7()
{
// memcpy值拷贝的问题
vector<string> v;
v.reserve(4); // 调整vector的容量为4
v.push_back("111");
v.push_back("222");
v.push_back("333");
v.push_back("444");
v.push_back("555"); // 这里会发生扩容，调用reserve函数
for (auto& e : v)
cout << e << endl;
}
//运行结果：程序崩溃
memcpy浅拷贝问题分析：
- 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（字节序拷贝）
- 如果拷贝的是内置类型的元素，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（比如在堆上申请的有资源），就会出错，因为memcpy的拷贝实际是浅拷贝
步骤解析：
1.开空间，插入4个string类对象：
2.插入第5个string 类对象，引发扩容，调用 reserve 函数，使用memcpy按字节序拷贝元素到新空间中，是浅拷贝，导致两个对象共享同一份资源：
3.程序结束时，已被析构的空间再次被析构，导致程序崩溃
2.memcpy浅拷贝问题的解决方法：
- 容器中存的是内置类型元素，直接赋值即可
- 容器中存的是自定义类型元素，通过调用该自定义类型的赋值运算符重载函数 operator= 完成「深拷贝」
//深拷贝reverse写法
// 调整容器的容量大小（capacity）
void reserve(size_t n)
{
if (n > capacity()) // 如果n大于当前 capacity 大小
{
size_t oldSize = size(); // 提前保存下旧空间size大小，便于后面更新_finish
T* tmp = new T[n]; // 开辟并初始化新空间，n个T类型的对象
if (_start)
{
// 如果T是int，直接赋值即可
// 如果T是string，就调用string类的赋值重载（进行深拷贝）
// 如果T是vector，就调用vector类的赋值重载（进行深拷贝）
for (size_t i = 0; i < oldSize; i++) // 旧空间元素赋值到新空间
tmp[i] = _start[i]; // 赋值
delete[] _start; // 释放旧空间
}
_start = tmp; // 指向新空间
_finish = _start + oldSize; // 更新有效元素长度
_end_of_storage = _start + n; // 更新容量
}
}
//---------------------------------------------------------------------
//深拷贝size写法
// 调整容器的有效元素大小（size）
void resize(size_t n, const T& val = T())
{
// 如果n小于当前size，，则有效元素个数缩小到n
if (n < size())
{
_finish = _start + n;
}
// 如果n大于当前size
else if (n > size())
{
// 如果n大于当前capacity，先进行增容
if (n > capacity())
reserve(n);
// 多出的位置用val或者缺省值T()填充
while (_finish < _start + n)
{
*_finish = val;
_finish++; // 有效元素长度+1
}
}
}
6.vector实现的动态二维数组
比如杨辉三角(用动态二维数组构建)：
数组形式表示：
class Solution
{
public:
vector<vector<int>> generate(int n)
{
// 开辟和初始化杨辉三角存储空间
vector<vector<int>> vv(n);
for (size_t i = 0; i < vv.size(); i++)
{
vv[i].resize(i + 1, 0);
// 每一行第一个元素和最后一个元素初始化为1
vv[i][0] = 1;
vv[i][vv[i].size() - 1] = 1;
}
// 填充杨辉三角
for (size_t i = 2; i < vv.size(); i++) // 从第3行开始
for (size_t j = 1; j < vv[i].size() - 1; j++) // 从第2列开始
vv[i][j] = vv[i - 1][j - 1] + vv[i - 1][j];
return vv;
}
};
二维数组 vector 中总共有 n 个元素，每个元素都是 vector 类型的，比如当n=5时，如下图存储结构：
填充二维数组的每一个元素：
