【C++】 vector讲解以及模拟
目录
vector基本介绍
定义
vector的优点
vector的本质
vector 的使用
(一).vetcor的定义：
(二).基本功能的使用
1.iterator 的使用
2.vector 空间增长
3.vector增删查改
vector的模拟实现
1.基本模版
2.成员函数
2.1构造函数
2.2拷贝构造
2.3析构函数
2.4 begin() && end()
2.5开空间resize
2.6尾插
2.7缩容resize
2.8任意位置插入insert
2.9删除erase
2.10尾删
2.11判断是否为空empty
2.12复制重载operator[]
memcpy拷贝问题
示例代码
vector.h
Test.cpp
vector相关文档
vector基本介绍
定义
vector是C++标准库中的一个容器类，提供了动态数组的功能。它是一个模板类，可以存储各种类型的元素。vector类封装了对数组的访问、插入和删除等操作，提供了方便和高效的数组操作接口。 与普通的数组相比，vector的大小是可变的，可以动态调整。它会自动处理内存分配和释放，简化了管理动态数组的复杂性。 可以通过C++标准库中的vector类。使用vector时，需要注意以下几点：
-
vector的下标索引从0开始，类似于普通数组。 -
可以使用
push_back函数在末尾插入元素。 -
可以使用
size函数获取vector中的元素数量。 -
可以使用下标操作符
[]直接访问和修改元素。 -
可以使用
insert和erase函数在指定位置插入和删除元素。
vector的优点
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。
vector的本质
vector在动态存储元素的过程中。当新元素的插入，数组会重新开辟空间，将内容深拷贝到新的空间
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 的使用
(一).vetcor的定义：
vector
| 构造函数说明 | 接口说明 |
|---|---|
| vector()(重点) | 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 |
(二).基本功能的使用
1.iterator 的使用
| 使用 | 接口说明 |
|---|---|
| begin+end | 获取第一个暑假的位置的iterator/const_iterator+获取最后一个数据的下一个位置的iterator/const_iterator |
| rbegin+rend | 获取最后一个数据的iterator/const_iterator+获取第一个数据前一个位置的iterator/const_iterator |
2.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（重点） | 改变vector的size |
| reserve （重点） | 改变vector的capacity |
3.vector增删查改
| 增删查改 | 接口说明 |
|---|---|
| push back（重点） | 尾插 |
| pop back （重点） | 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 |
| operatoril[] （重点） | 像数组一样访问 |
4.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)。
大部分问题为：
1.vector扩容时，迭代器访问了旧空间
vector 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< 2.erase：删除过程中导致迭代器失效
#include
using namespace std;
#include
int main()
{
int a[] = {1, 2, 3, 4};
vector v(a, a + sizeof(a) / sizeof(int));
// 使用find查找3所在位置的iterator
vector::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。
vector的模拟实现
1.基本模版
template //定义模版
class vector
{
public:
typedef T *iterator; //为 T* 类型创建了一个别名 iterator
typedef const T *const_iterator;//为 T* 类型创建了一个别名 const_iterator
size_t capacity() const
{
return _end_of_storage - _start;
}
size_t size() const
{
return _finish - _start;
}
private:
// 指针
iterator _start;
iterator _finish;
iterator _end_of_storage;
}; 
-
_start：表示指向数据的开始位置；
-
_end：表示指向数据的结尾位置的下一个位置；
-
_end_of_storage：表示的是整个空间的大小。
2.成员函数
2.1构造函数
vector()
: _start(nullptr), _finish(nullptr), _end_of_storage(nullptr) // 全部初始化为空
{
}2.2拷贝构造
交换swap:
void swap(vector& v) { std::swap(_start, v._start); std::swap(_finish, v._finish); std::swap(_end_of_storage, v._end_of_storage); }
1.创建一个 vector 容纳了 n 个元素，每个元素的值均为 value
vector(size_t n, const T &value = T())
: _start(nullptr), _finish(nullptr), _end_of_storage(nullptr)
{
reserve(n);//扩容
for (size_t i = 0; i < n; ++i)
{
push_back(value);//尾插
}
}test:
// 调用拷贝构造
vector v1(10, 5);
vector::iterator it = v1.begin();
for (it = v1.begin(); it != v1.end(); ++it)
{
cout << *it << " ";
}
cout << endl; 2.通过循环遍历指针范围 [first, last)，将该范围内的元素复制到新创建的 vector 容器中。
//[first,last)
template //
vector(InputIterator *first, InputIterator *last)
: _start(nullptr), _finish(nullptr), _end_of_storage(nullptr)
{
while (first != last)
{
push_back(*first);
++first;//first指针前移
}
} 这段代码是模板（template）定义中的一部分，用于声明一个模板函数或类模板，并定义一个模板参数InputIterator，该参数可以接受任何类型的输入迭代器。
部分表示使用一个名为InputIterator的类型作为模板参数。class关键字可以用于声明类型模板参数，它表明该参数可以是任何类型（类、结构体、基本数据类型等）。
test:
vector v1(10, 5);
vector v2(v1.begin(), v1.end());
for (it = v2.begin() + 1; it != v2.end() - 1; ++it)
{
cout << *it << " ";
}
cout << endl; 3.vector<> v2(v1):
a.传统写法
vector(const vector &v)
{
_start = new T[v.capacity()];//开辟空间
// memcpy(_start, v._start, v.size() * sizeof(T)); memcpy可能造成浅拷贝，导致调用析构函数时重复释放空间
for (size_t i = 0; i < v.size(); ++i)
{
_start[i] = v._start[i];//深拷贝
}
_finish = _start + v.size();
_end_of_storage = _start + v.capacity();
} b.现代写法
vector(const vector &v)
{
vector tmp(v.begin(), v.end());
swap(tmp);
} test:
// 没写拷贝构造，编译器默认生成拷贝构造，完成值拷贝/浅拷贝
vector v1(10, 5);
vector v2(v1);
for (vector::iterator it = v2.begin(); it != v2.end(); ++it)//使用迭代器尽量不要使用<、>，应该使用!=
{
cout << *it << " ";
}
cout << endl; 4.v2=v1
//v2=v1
vector& operator=(const vector &v)
{
swap(v);
return *this;
} 2.3析构函数
~vector()
{
delete[] _start;
_start = _finish = _end_of_storage = nullptr;
}2.4 begin() && end()
iterator begin()
{
return _start;
}
iterator end()
{
return _finish;
}
const_iterator begin() const
{
return _start;
}
const_iterator end() const
{
return _finish;
}2.5开空间resize
void reserve(size_t n)
{
//检查空间是否足够大
if (n > capacity())
{
size_t sz = size();
// 分配新的存储空间
T *tmp = new T[n];
if (_start) // 检查旧空间是否为空
{
// 将内容复制到新空间
// memcpy(tmp, _start, sizeof(T) * size());//浅拷贝
for (size_t i = 0; i < sz; ++i)
tmp[i] = _start[i];
delete[] _start;
}
// 更新指针
_start = tmp;
//_finish = tmp + size();//_finish - _start
_finish = _start + sz; //_finish - _start
_end_of_storage = _start + n;
}
}2.6尾插
void push_back(const T &x)
{
// 空间满了
if (_finish == _end_of_storage)
{
reserve(capacity() == 0 ? 4 : capacity() * 2);
}
*_finish = x;
++_finish;
}2.7缩容resize
// 缩容
void resize(size_t n, T val = T()) // T():匿名对象调用默认构造
{
if (n < size())
{
// 删除数据
_finish = _start + n;
}
else
{
if (n > capacity())
reserve(n);
// 添加数据
while (_finish != _start + n)
{
*_finish = val;
++_finish;
}
}
}test:
void func(const vector &v)
{
cout << "--func--" << endl;
// 迭代器访问
vector::const_iterator it = v.begin();
while (it != v.end())
{
cout << *it << " ";
++it;
}
cout << endl;
cout << "--func--" << endl;
}
void test_vector2()
{
vector v1;
v1.push_back(1);
v1.push_back(2);
v1.push_back(3);
v1.push_back(4);
cout << "v1 size = " << v1.size() << endl;
cout << "v1 capacity = " << v1.capacity() << endl;
cout << "*resize*" << endl;
v1.resize(10);
cout << "v1 size = " << v1.size() << endl;
cout << "v1 capacity = " << v1.capacity() << endl;
func(v1);
cout << endl;
cout << "*保留前3个*" << endl;
v1.resize(3);
cout << "v1 size = " << v1.size() << endl;
cout << "v1 capacity = " << v1.capacity() << endl;
func(v1);
} 2.8任意位置插入insert
/*
void insert(iterator& pos, const T &val)
在v1.insert(v1.begin(), 0);v1.begin()具有常性,无法调用insert
*/
iterator insert(iterator pos, const T &val)
{
assert(pos >= _start);
assert(pos <= _finish);
// 如果扩容
if (_finish == _end_of_storage)
{
// 计算需要扩容的大小
size_t len = pos - _start;
// 扩容
reserve(capacity() == 0 ? 4 : capacity() * 2);
// 扩容后,更新pos,防止迭代器失效(野指针)
pos = _start + len;
}
// 把pos位置的元素移动到_finish位置
iterator end = _finish - 1;
while (end >= pos)
{
*(end + 1) = *end;
--end;
}
*pos = val;
++_finish;
return pos;
}2.9删除erase
iterator erase(iterator pos)
{
assert(pos >= _start);
assert(pos < _finish);
iterator start = pos + 1;
while (start != _finish)
{
*(start - 1) = *start;
++start;
}
--_finish;
return pos;
}2.10尾删
void pop_back()
{
assert(!empty());
--_finish;
}2.11判断是否为空empty
bool empty() const
{
return _start == _finish;
}2.12复制重载operator[]
T &operator[](size_t pos)
{
assert(pos <= size());
return _start[pos];
}
const T &operator[](size_t pos) const
{
assert(pos <= size());
return _start[pos];
}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()
{
wzf::vector v;
v.push_back("1111");
v.push_back("2222");
v.push_back("3333");
return 0;
} 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
-
如果拷贝的是自定义类型的元素，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。
结论：如果对象中涉及到资源管理时，千万不能使用memcpy进行对象之间的拷贝，因为memcpy是浅拷贝，否则可能会引起内存泄漏甚至程序崩溃。
示例代码
vector.h
#pragma once
#include
#include
using namespace std;
namespace wzf
{
template
class vector
{
public:
typedef T *iterator;
typedef const T *const_iterator;
vector()
: _start(nullptr), _finish(nullptr), _end_of_storage(nullptr) // 全部初始化为空
{
}
vector(size_t n, const T &value = T())
: _start(nullptr), _finish(nullptr), _end_of_storage(nullptr)
{
reserve(n);
for (size_t i = 0; i < n; ++i)
{
push_back(value);
}
}
//[first,last)
template
vector(InputIterator *first, InputIterator *last)
: _start(nullptr), _finish(nullptr), _end_of_storage(nullptr)
{
while (first != last)
{
push_back(*first);
++first;
}
}
// v2(v1)
// vector(const vector &v)
// {
// reserve(v.capacity());
// memcpy(_start, v._start, v.size() * sizeof(T));
// _finish = _start + v.size();
// }
// vector(const vector &v)
// {
// _start= new T[v.capacity()];
// memcpy(_start, v._start, v.size() * sizeof(T));
// _finish = _start + v.size();
// _end_of_storage = _start + v.capacity();
// }
vector(const vector &v)
{
_start = new T[v.capacity()];
// memcpy(_start, v._start, v.size() * sizeof(T));
for (size_t i = 0; i < v.size(); ++i)
{
_start[i] = v._start[i];
}
_finish = _start + v.size();
_end_of_storage = _start + v.capacity();
}
~vector()
{
delete[] _start;
_start = _finish = _end_of_storage = nullptr;
}
iterator begin()
{
return _start;
}
iterator end()
{
return _finish;
}
const_iterator begin() const
{
return _start;
}
const_iterator end() const
{
return _finish;
}
// 开空间
void reserve(size_t n)
{
if (n > capacity())
{
size_t sz = size();
// 分配新的存储空间
T *tmp = new T[n];
if (_start) // 检查旧空间是否为空
{
// 将内容复制到新空间
// memcpy(tmp, _start, sizeof(T) * size());//浅拷贝
for (size_t i = 0; i < sz; ++i)
tmp[i] = _start[i];
delete[] _start;
}
// 更新指针
_start = tmp;
//_finish = tmp + size();//_finish - _start
_finish = _start + sz; //_finish - _start
_end_of_storage = _start + n;
}
}
void push_back(const T &x)
{
// 空间满了
if (_finish == _end_of_storage)
{
reserve(capacity() == 0 ? 4 : capacity() * 2);
}
*_finish = x;
++_finish;
}
// 缩容
void resize(size_t n, T val = T()) // T():匿名对象调用默认构造
{
//检查空间大小
if (n < size())
{
// 删除数据
_finish = _start + n;
}
else
{
if (n > capacity())
reserve(n);
// 添加数据
while (_finish != _start + n)
{
*_finish = val;
++_finish;
}
}
}
/*
void insert(iterator& pos, const T &val)
在v1.insert(v1.begin(), 0);v1.begin()具有常性,无法调用insert
*/
iterator insert(iterator pos, const T &val)
{
assert(pos >= _start);
assert(pos <= _finish);
// 如果扩容
if (_finish == _end_of_storage)
{
// 计算需要扩容的大小
size_t len = pos - _start;
// 扩容
reserve(capacity() == 0 ? 4 : capacity() * 2);
// 扩容后,更新pos,防止迭代器失效(野指针)
pos = _start + len;
}
// 把pos位置的元素移动到_finish位置
iterator end = _finish - 1;
while (end >= pos)
{
*(end + 1) = *end;
--end;
}
*pos = val;
++_finish;
return pos;
}
iterator erase(iterator pos)
{
assert(pos >= _start);
assert(pos < _finish);
iterator start = pos + 1;
while (start != _finish)
{
*(start - 1) = *start;
++start;
}
--_finish;
return pos;
}
// 删除
void pop_back()
{
assert(!empty());
--_finish;
}
bool empty() const
{
return _start == _finish;
}
size_t capacity() const
{
return _end_of_storage - _start;
}
size_t size() const
{
return _finish - _start;
}
T &operator[](size_t pos)
{
assert(pos <= size());
return _start[pos];
}
const T &operator[](size_t pos) const
{
assert(pos <= size());
return _start[pos];
}
private:
// 指针
iterator _start;
iterator _finish;
iterator _end_of_storage;
};
void func(const vector &v)
{
cout << "--func--" << endl;
// for (size_t i = 0; i < v.size(); ++i)
// {
// cout << v[i] << " ";
// }
// cout << endl;
// 迭代器访问
vector::const_iterator it = v.begin();
while (it != v.end())
{
cout << *it << " ";
++it;
}
cout << endl;
cout << "--func--" << endl;
}
void test_vector1()
{
vector v1;
v1.push_back(1);
v1.push_back(2);
v1.push_back(3);
v1.push_back(4);
for (size_t i = 0; i < v1.size(); ++i)
{
cout << v1[i] << " ";
}
cout << endl;
func(v1);
v1.pop_back();
v1.pop_back();
v1.pop_back();
// 迭代器访问
vector::iterator it = v1.begin();
while (it != v1.end())
{
cout << *it << " ";
++it;
}
cout << endl;
}
void test_vector2()
{
vector v1;
v1.push_back(1);
v1.push_back(2);
v1.push_back(3);
v1.push_back(4);
cout << "v1 size = " << v1.size() << endl;
cout << "v1 capacity = " << v1.capacity() << endl;
cout << "*resize*" << endl;
v1.resize(10);
cout << "v1 size = " << v1.size() << endl;
cout << "v1 capacity = " << v1.capacity() << endl;
func(v1);
cout << endl;
cout << "*保留前3个*" << endl;
v1.resize(3);
cout << "v1 size = " << v1.size() << endl;
cout << "v1 capacity = " << v1.capacity() << endl;
func(v1);
}
void test_vector3()
{
vector v1;
v1.push_back(1);
v1.push_back(2);
v1.push_back(3);
v1.push_back(4);
func(v1);
v1.insert(v1.begin(), 0);
func(v1);
vector::iterator pos = find(v1.begin(), v1.end(), 3); // find找到3的位置
if (pos != v1.end())
{
pos = v1.insert(pos, 30);
}
func(v1);
/*
insert后我们认为pos失效了,不能在使用
(*pos)++;
func(v1);
*/
}
void test_vector4()
{
vector v1;
v1.push_back(1);
v1.push_back(2);
v1.push_back(3);
v1.push_back(4);
func(v1);
v1.insert(v1.begin(), 0);
func(v1);
vector::iterator pos = find(v1.begin(), v1.end(), 2); // find找到3的位置
if (pos != v1.end())
{
v1.erase(pos);
}
func(v1);
// 库中,调用erase,pos会失效,不能访问并且强制检查
// 若删除最后一个元素,访问pos会造成野指针,故erase后不要访问pos
}
void test_vector5()
{
vector v1;
v1.push_back(10);
v1.push_back(2);
v1.push_back(3);
v1.push_back(4);
v1.push_back(5);
v1.push_back(50);
vector::iterator it = v1.begin();
while (it != v1.end())
{
cout << *it << " ";
if (*it % 2 == 0)
{
it = v1.erase(it);
}
else
{
++it;
}
}
cout << endl;
for (it = v1.begin(); it != v1.end(); ++it)
{
cout << *it << " ";
}
cout << endl;
}
void test_vector6()
{
// 调用拷贝构造
vector v1(10, 5);
vector::iterator it = v1.begin();
for (it = v1.begin(); it != v1.end(); ++it)
{
cout << *it << " ";
}
cout << endl;
vector v2(v1.begin(), v1.end());
for (it = v2.begin() + 1; it != v2.end() - 1; ++it)
{
cout << *it << " ";
}
cout << endl;
}
void test_vector7()
{
// 没写拷贝构造，编译器默认生成拷贝构造，完成值拷贝/欠拷贝
vector v1(10, 5);
vector v2(v1);
for (vector::iterator it = v2.begin(); it != v2.end(); ++it)
{
cout << *it << " ";
}
cout << endl;
vector v3(3, "HelloHelloHelloHello");
vector v4(v3);
for (vector::iterator it = v4.begin(); it != v4.end(); ++it)
{
cout << *it << "----";
}
cout << endl;
v4.push_back("≠2024!±");
v4.push_back("≠2024!±");
v4.push_back("≠≠2024!±");
v4.push_back("≠2024!±");
for (vector::iterator it = v4.begin(); it != v4.end(); ++it)
{
cout << *it << "----";
}
cout << endl;
}
} Test.cpp
#include "vector.h"
int main()
{
wzf::test_vector7();
return 0;
}