C++ Vecter

C++ Vecter

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本博客主要内容讲解了C++中vector的介绍以及相关的一些接口的使用

Ⅰ. vector 的介绍和使用

Ⅰ. Ⅰvector的介绍

vector文档

①vector是表示可变大小数组的序列容器。

②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。

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。

④vector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。

⑤ 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。

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。比起list和forward_list 统一的迭代器和引用更好。

Ⅰ. Ⅱvector的使用

在vector的学习中我们一定要学会查看文档vector文档，对于vector的使用我们一般只需要熟悉以下常用的接口就可以了！

Ⅰ.Ⅱ .Ⅰvector的定义

(constructor)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); （重点）	拷贝构造
vector (InputIterator first, InputIterator last);	使用迭代器进行初始化构造

int TestVector1()
{
    // constructors used in the same order as described above:
    vector<int> first;                                // empty vector of ints
    vector<int> second(4, 100);                       // four ints with value 100
    vector<int> third(second.begin(), second.end());  // iterating through second
    vector<int> fourth(third);                       // a copy of third

    // 下面涉及迭代器初始化的部分，我们学习完迭代器再来看这部分
    // the iterator constructor can also be used to construct from arrays:
    int myints[] = { 16,2,77,29 };
    vector<int> fifth(myints, myints + sizeof(myints) / sizeof(int));

    cout << "The contents of fifth are:";
    for (vector<int>::iterator it = fifth.begin(); it != fifth.end(); ++it)
        cout << ' ' << *it;
    cout << '\n';

    return 0;
}

Ⅰ.Ⅱ .Ⅱvector iterator 的使用

vector的迭代器使用和string的迭代器使用是非常类似的。

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_iterator

void PrintVector(const vector<int>& v)
{
	// const对象使用const迭代器进行遍历打印
	vector<int>::const_iterator it = v.begin();
	while (it != v.end())
	{
		cout << *it << " ";
		++it;
	}
	cout << endl;
}

Ⅰ.Ⅱ .Ⅲ空间增长问题

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的capacity

• 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。 这个问题经常会考察，不要固化的认为，vector增容都是2倍，具体增长多少是根据具体的需求定义 的。vs是PJ版本STL，g++是SGI版本STL。

• reserve只负责开辟空间，如果确定知道需要用多少空间，reserve可以缓解vector增容的代价缺陷问题。

• resize在开空间的同时还会进行初始化,影响size。

  // 如果已经确定vector中要存储元素大概个数，可以提前将空间设置足够
  // 就可以避免边插入边扩容导致效率低下的问题了
  void TestVectorExpandOP()
  {
   	vector<int> v;
   	size_t sz = v.capacity();
   	v.reserve(100); // 提前将容量设置好，可以避免一遍插入一遍扩容
   	cout << "making bar 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';
   		}
   	}
  }
  

  Ⅰ.Ⅱ .Ⅳ vector的增删查改

  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
  (opeerator[])	像数组一样访问[]的重载

  // 尾插和尾删：push_back/pop_back
  void TestVector4()
  {
  	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()) 
  	{
  		cout << *it << " ";
  		++it;
  	}
  	cout << endl;
    
  	v.pop_back();
  	v.pop_back();
    
  	it = v.begin();
  	while (it != v.end()) 
  	{
  		cout << *it << " ";
  		++it;
  	}
  	cout << endl;
  }
    
  // 任意位置插入：insert和erase，以及查找find
  // 注意find不是vector自身提供的方法，是STL提供的算法
  

  Ⅰ.Ⅱ .Ⅴvector 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：

  ①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。

  #include 
  using namespace std;
  #include 
  int main()
  {
   	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8填充，操作期间底层会扩容
   	// v.resize(100, 8);
     
   	// 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);
     
   	/*
   	出错原因：以上操作，都有可能会导致vector扩容，也就是说vector底层原理旧空间被释放掉，
  	而在打印时，it还使用的是释放之间的旧空间，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。
  	 */
   while(it != v.end())
   {
   	cout<< *it << " " ;
  	 ++it;
   }
   	cout<<endl;
   	return 0;
  }
  

  ② 指定位置元素的删除操作–erase

  #include 
  using namespace std;
  #include 
  int main()
  {
   	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
   	vector<int>::iterator 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
   	return 0;
  }
  

  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。

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

  当然是第二个正确，因为我们在erase的时候有可能会造成迭代器失效，所以我们让it不断的去接收erase返回的迭代器，去更新迭代器，防止迭代器失效问题。

  ③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
  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 << "扩容之前，vector的容量为: " << 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 << "扩容之后，vector的容量为: " << 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;
  }
  程序输出：
  1 2 3 4 5
  扩容之前，vector的容量为: 5
  扩容之后，vector的容量为: 100
  0 2 3 4 5 409 1 2 3 4 5
  // 2. erase删除任意位置代码后，linux下迭代器并没有失效
  // 因为空间还是原来的空间，后序元素往前搬移了，it的位置还是有效的
  #include 
  #include 
  int main()
  {
   	vector<int> v{1,2,3,4,5};
   	vector<int>::iterator it = find(v.begin(), v.end(), 3);
   	v.erase(it);
      cout << *it << endl;
   	while(it != v.end())
   	{
   		cout << *it << " ";
   		++it;
   	}
   	cout << endl;
   	return 0;
  }
  程序可以正常运行，并打印：
  4
  4 5
     
  // 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
  int main()
  {
   	vector<int> v{1,2,3,4,5};
   	// vector v{1,2,3,4,5,6};
   	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;
  }
  ========================================================
  // 使用第一组数据时，程序可以运行
  [sly@VM-0-3-centos 20220114]$ g++ testVector.cpp -std=c++11
  [sly@VM-0-3-centos 20220114]$ ./a.out
  1 3 5
  =========================================================
  // 使用第二组数据时，程序最终会崩溃
  [sly@VM-0-3-centos 20220114]$ vim testVector.cpp
  [sly@VM-0-3-centos 20220114]$ g++ testVector.cpp -std=c++11
  [sly@VM-0-3-centos 20220114]$ ./a.out
  Segmentation fault
  

  从上述三个例子中可以看到：SGI STL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，肯定会崩溃的。

  ④与vector类似，string在插入+扩容操作+erase之后，迭代器也会失效

  #include 
  void TestString()
  {
   	string s("hello");
   	auto it = s.begin();
   	// 放开之后代码会崩溃，因为resize到20会string会进行扩容
   	// 扩容之后，it指向之前旧空间已经被释放了，该迭代器就失效了
   	// 后序打印时，再访问it指向的空间程序就会崩溃
   	//s.resize(20, '!');
   	while (it != s.end())
   	{
   		cout << *it;
   		++it;
   	}
   	cout << endl;
   	it = s.begin();
   	while (it != s.end())
   	{
   		it = s.erase(it);
   		// 按照下面方式写，运行时程序会崩溃，因为erase(it)之后
   		// it位置的迭代器就失效了
   		// s.erase(it); 
   		++it;
   	}
  }
  

Ⅱ. vector深度剖析及模拟实现

Ⅱ . Ⅰ std::vector的核心框架接口的模拟实现xupt::vector

vector的模拟实现

Ⅱ. Ⅱ使用memcpy拷贝问题

假设模拟实现的vector中的reserve接口中，使用memcpy进行的拷贝，以下代码会发生什么问题？

int main()
{
 	bite::vector<bite::string> v;
 	v.push_back("1111");
 	v.push_back("2222");
 	v.push_back("3333");
 	return 0;
}

问题分析：

​ ①memcpy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

​ ②如果拷贝的是非自定义类型的元素，memcpy既高效又不会出错，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。

Ⅱ. Ⅲ 动态二维数组理解

// 以杨辉三角的前n行为例：假设n为5
void test2vector(size_t n)
{
 	// 使用vector定义二维数组vv，vv中的每个元素都是vector
 	xupt::vector<xupt::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);
 	// 给杨辉三角出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];
 		}
 	}
}

xupt::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时如下所示：

vv中元素填充完成之后，如下图所示：

使用标准库中vector构建动态二维数组时与上图实际是一致的。

到这本篇博客的内容就到此结束了。
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