【c++】STL--vector

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前言

想必大家已经对string有所了解了string是专门用于字符串的。今天讲到的vector则是表示可变大小数组的序列容器。就像数组一样vectoer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。在之前我们学习c语言时使用数组还需要通过malloc开辟但现在使用vector就不需要使用者再去开辟空间它将自动处理。

本质来讲 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。总的来说就是为了避免不必要的时间花费或者空间浪费最开始开辟空间就尽量为后面开辟空间着想在不同情况采用不同的策略。

前面也学过string那么对于vector更是得心应手当学习vector使用的时候你会发现基本上接口都是与string一样的。

三、vector iterator 的使用

3.1 begin + end与rbegin + rend的理解

3.2 begin + end

四、vector 空间增长问题

4.1 vs与g++代码对比

4.2 size+capacity+empty

4.3 reserve 重点

4.4 resize重点

五、vector 增删查改

5.1push_back+pop_back 重点

6.1会引起其底层空间改变的操作都有可能是迭代器失效

6.2指定位置元素的删除操作--erase

6.3在Linux下迭代器失效

一、stl_vector

我们先从原码进行观察它的主体结构然后我们在实现的时候就可以按照源码的结构进行模拟。

在 stl_vector.h中我们剥离出一部分代码主体结构如下

class vector {
public:

........................

.................................

protected:
........
iterator start;
iterator finish;
iterator end_of_storage;

........................................................

}

在源码中我们发现这里是用的迭代器iteartor我们也不知道 start;finish; end_of_storage;是代表的什么意思下面我们带入一副源码剖析图再进行理解:

通过源码剖析图在处理数组的时候start指向数组开始的位置finish指向数组中内容最后的位置end_of_storage指向的是数组开辟空间最大的位置。

二、vector的定义

我们在学vector时一定要学会查看文档vector的文档介绍vector在实际中非常的重要在实际中我们熟悉常见的接口就可以然后通过查找文档去学习重点掌握的接口。

2.1无参构造

--vector()重点

Example

vector<int> v; //无参构造

模拟实现

vector()
	:_start(nullptr);
	,_finish(nullptr);
	,_endofstorage(nullptr)
		{

		};

2.2构造并初始化n个val

--vectorsize_type n, const value_type& val = value_type()

Example

int main()
{
   vector<int> v1(4, 3);

   for (auto e : v1)
   {
       cout << e << " ";
   ++e;
   }

   return 0;
}

结果

3 3 3 3

模拟实现

		vector(size_type n, const T& val = T())
			:_start(nullptr)
			, _finish(nullptr)
			, _endofstorage(nullptr)
		{
			reserve(n);    
			for (size_t i = 0; i <= n; i++)
			{
				push_back(val);
			}
		}

2.3使用迭代器进行初始化构造

--vector (InputIterator ﬁrst, InputIterator last);

Example

   vector<int> v(4, 10);

   vector<int> v1(v.begin(), v.end());
   for (auto e : v1)
   {
       cout << e << " ";
       ++e;
   }

结果

10 10 10 10

模拟实现

		template < class  InputIterator>
		vector(InputIterator first, InputIterator last)
			:_start(nullptr)
			, _finish(nullptr)
			, _endofstorage(nullptr)
		{
			while (frist != last)
			{
				push_back(*frist);
				++frist;
			}
		}

2.4拷贝构造

--vector (const vector& x); 重点

Example

vector<int> v(4,3);

   vector<int> v1(v);

   for (auto e : v1)
   {
       cout << e << " ";
       ++e;
   }

结果

3 3 3 3

模拟实现

		vector(const vector<T>& v)
			:_start(nullptr)
			, _finish(nullptr)
			, _endofstorage(nullptr)
		{
			vector<T> tmp(v.begin(), v.end());
			swap(tmp);
		}

三、vector iterator 的使用

我们先重温一下迭代器iterator是一种可以遍历容器元素的数据类型。迭代器是一个变量相当于容器和操纵容器的算法之间的中介。C++更趋向于使用迭代器而不是数组下标操作因为标准库为每一种标准容器如vector、map和list等定义了一种迭代器类型而只有少数容器如vector支持数组下标操作访问容器元素。可以通过迭代器指向你想访问容器的元素地址通过*x打印出元素值。这和我们所熟知的指针极其类似。

C语言有指针指针用起来十分灵活高效。
C++语言有迭代器迭代器相对于指针而言功能更为丰富。

vector是数组实现的也就是说只要知道数组的首地址就能访问到后面的元素。所以我们可以通过访问vector的迭代器来遍历vector容器元素。

3.1 begin + end与rbegin + rend的理解

通过图我们发现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。

而rbegin与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

3.2 begin + end

Example

   vector<int> v;
   for (int i = 1; i <= 5; i++)
       v.push_back(i);

   cout << *v.begin() << " ";
   cout << *(v.end()-1) << " ";

结果

1 5

模拟实现

		iterator begin()
		{
			return _start;
		}

		iterator end()
		{
			return _finish;
		}

四、vector 空间增长问题

capacity的代码在vs和g++下分别运行会发现在vs2013中下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STLg++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。

4.1 vs与g++代码对比

演示代码

void TestVectorExpand()
{
	size_t sz;
	vector<int> v;
	sz = v.capacity();
	cout << "making v 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';
		}
	}
}

vs运行结果vs下使用的STL基本是按照1.5倍方式扩容

making foo grow:

capacity changed: 1

capacity changed: 2

capacity changed: 3

capacity changed: 4

capacity changed: 6

capacity changed: 9

capacity changed: 13

capacity changed: 19

capacity changed: 28

capacity changed: 42

capacity changed: 63

capacity changed: 94

capacity changed: 141

g++运行结果linux下使用的STL基本是按照2倍方式扩容

making foo grow:

capacity changed: 1

capacity changed: 2

capacity changed: 4

capacity changed: 8

capacity changed: 16

capacity changed: 32

capacity changed: 64

capacity changed: 128

因为我们知道开辟空间是需要耗时的比如当我们需要一个较大的空间时我们已经确定vector中要存储元素大概个数那么就可以提前将空间设置足这样就避免边插入边扩容导致效率低下的问题了。我们就可以用reserve接口直接先开辟到我们所需要的数理即可操作如下

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';
		}
	}
}

4.2 size+capacity+empty

size 获取数据个数capacity 获取容量大小empty 判断是否为空

Example

void test_vector()
{
   vector<int> v;
   for (int i = 1; i <= 5; i++)
       v.push_back(i);

   cout << v.size() << endl;
   cout << v.capacity() << endl;

   if (!v.empty())
       cout << "NO empty" << endl;

}

结果

5 6 NO empty

模拟实现

		iterator end()
		{
			return _finish;
		}

		size_t size() const
		{
			return _finish - _start;
		}

		bool empty() const
		{
			return  _finish == _start;
		}

		size_t capacity() const
		{
			return _endofstorage - _start;
		}

4.3 reserve 重点

改变vector的capacity

Example

void test_vector6()
{
   vector<int> v;
   v.reserve(10);

   cout << v.size() << endl;
   cout << v.capacity() << endl;

}

结果

0 10

模拟实现

我们在进行扩容的时候我必须要保持原数据不变当操作的时候记得拷贝当前数据即可。

void reserve(size_t n)
		{
			if (n > capacity())
			{
				size_t oldSize = size();
				T* tmp = new T[n];

				if (_start)
				{
					for (size_t i = 0; i < oldSize; i++)
					{
						tmp[i] = _start[i];
					}
					delete[] _start;
				}
				_start = tem;
				_finish = tem + oldSize;
				_endofstorage = _start + n;
			}
			
		}

4.4 resize重点

改变vector的size

Example

void test_vector5()
{
   vector<int> v;
   for (int i = 1; i <= 5; i++)
       v.push_back(i);

   cout << v.size() << endl;
   cout << v.capacity() << endl;

   v.resize(4);

   cout << v.size() << endl;
   cout << v.capacity() << endl;

   v.resize(14);

   cout << v.size() << endl;
   cout << v.capacity() << endl;
}

模拟实现

当我们实现resize的时需要考虑几个情况

1.当n大于capacity时需要扩容

2.当n小于capacity且大于finish时直接填充数据即可

3.当n小于finish时删除数据

		void resize(size_t n, T val = T())
		{
			if (n > _capacity)
			{
				reserve(n);
			}
			if (n > size())
			{
				while (_finish < _start + n)
				{
					*_finish = val;
					++_finish;
				}
			}
			else
			{
				_finish = _start + n;
			}
		}

五、vector 增删查改

在删除的时候需要注意的是一般只改变finish的大小而不去改变capacity的大小。因为我们很多时候减少了内存需要的时候又要开辟内存空间现在计算机是有非常大内存--完全够用减少内存空间是更加耗时的用户是更加需要时间的所以删的时候不改变capacity。

5.1push_back+pop_back 重点

尾插+尾删

Example

void test_vector7()
{
   vector<int> v;
   v.push_back(1);
   v.push_back(2);
   v.push_back(3);
   v.push_back(4);

   cout << v.size() << endl;

   v.pop_back();
   cout << v.size() << endl;
   v.pop_back();
   cout << v.size() << endl;
}

结果

4 3 2

模拟实现

		void push_back(const T& x)
		{
			if (_finish == _endofstorage)
			{
				size_t newCapacity = capacity() == 0 ? 4 : capacity() * 2;
				reserve(newCapacity);
			}
			*_finish = x;
			++_finish;
		}

		void pop_back()
		{
			assert(!empty);
			--_finish;
		}

5.2 find

查找。注意这个是算法模块实现不是vector的成员接口

Example

void test_vector8()
{
   vector<int> v;
   v.push_back(1);
   v.push_back(2);
   v.push_back(3);
   v.push_back(4);

   cout<<*find(v.begin(), v.end(), 3)<<" ";
   cout << *find(v.begin(), v.end(), 4) << " ";
}

结果

3 4

5.3 swap

交换两个vector的数据空间

Example

void test_swap()
{
   vector<int> v(4,3);
   vector<int> v1(5, 4);

   v.swap(v1);
   cout << v[0] << " ";
}

结果

4

模拟实现

		void swap(vector<T>& v)
		{
			std::swap(_start, v._start);
			std::swap(_finish, v._finish);
			std::swap(_endofstorage, v._endofstorage);
		}

5.4 insert

在position之前插入val

Example

void test_insert()
{
   vector<int> v(4, 3);
   v.insert(v.begin(), 6);
   v.insert(v.end(), 6);

   for (auto e : v)
   {
       cout << e << " ";
       ++e;
   }
}

结果

6 3 3 3 3 6

模拟实现

在模拟实现insert的时候会发生迭代器失效迭代器失效实则就是扩容引起的野指针问题实现insert有种特殊情况。当我们插入一个数据的时候该数组是没有空间需要开辟空间当开辟空间后pos如果不更新的话还是指向的是原来的地址那么当开辟后这个地址是会被操作系统回收pos就会发生野指针的问题。

// 迭代器失效 : 扩容引起野指针问题
		iterator insert(iterator pos, const T& val)
		{
			assert(pos >= _start);
			assert(pos <= _finish);

			if (_finish == _endofstorage)
			{
				size_t len = pos - _start;
				size_t newCapacity = capacity() == 0 ? 4 : capacity() * 2;
				reserve(newCapacity);

				// 扩容会导致pos迭代器失效需要更新处理一下
				pos = _start + len;
			}
			// 挪动数据
			iterator end = _finish - 1;
			while (end >= pos)
			{
				*(end + 1) = *end;
				++end;
			}

			*pos = val;
			++_finish;

			return pos;
		}

5.5 erase

删除position位置的数据

Example

void test_erase()
{
   vector<int> v;
   v.push_back(1);
   v.push_back(2);
   v.push_back(3);
   v.push_back(4);
   v.push_back(5);

   v.erase(v.begin());
   for (auto e : v)
   {
       cout << e << " ";
       ++e;
   }
   cout << endl;

   v.erase(v.begin()+1);
   for (auto e : v)
   {
       cout << e << " ";
       ++e;
   }

}

结果

2 3 4 5
2 4 5

模拟实现

		iterator erase(iterator pos)
		{
			assert(pos >= _start);
			assert(pos < _finish);
			
			iterator begin = pos + 1;
			while (begin < _finish)
			{
				*(begin - 1) = *begin;
				++begin;
			}

			--_finish;
			return pos;
		}

5.6 operator[]

像数组一样访问

Example

void test_operator()
{
   vector<int> v;
   v.push_back(1);
   v.push_back(2);
   v.push_back(3);
   v.push_back(4);
   v.push_back(5);

   for (size_t i = 0; i < v.size(); i++)
   {
       cout << v[i] << " ";
   }
}

结果

1 2 3 4 5

模拟实现

		T& operator[](size_t pos)
		{
			assert(pos < size());
			return _start[pos];
		}

六、vector 迭代器失效问题。重点

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)。

6.1会引起其底层空间改变的操作都有可能是迭代器失效

如resize、reserve、insert、assign、push_back等。

测试代码

#include <iostream>
using namespace std;
#include <vector>

int main()
{
	vector<int> v{ 1, 2, 3, 4, 5, 6 };

	auto it = v.begin();
	v.assign(100, 8);


	while (it != v.end())
	{
		cout << *it << " ";
		++it;
	}
	cout << endl;
	return 0;
}

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

运行结果

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。

修改后的代码

int main()
{
	vector<int> v{ 1, 2, 3, 4, 5, 6 };

	
	v.assign(100, 8);

	auto it = v.begin();

	while (it != v.end())
	{
		cout << *it << " ";
		++it;
	}
	cout << endl;
	return 0;
}

运行结果

6.2指定位置元素的删除操作--erase

下面代码用pos查找所找3位置的iterator然后删除pos位置的数据再去访问。这一例子就好比刻舟求剑一样。

测试代码

#include <iostream>
using namespace std;
#include <vector>

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 <iostream>
using namespace std;
#include <vector>

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;
}

代码二对当用erase删除不是2的偶数it时到最后还会出现野指针访问

当我们更新pos将pos指向到删除的位置就不会错了那么代码二就多做了这一步。

6.3在Linux下迭代器失效

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

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<int> 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 <string>

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;
	}
}

迭代器失效解决办法在使用前对迭代器重新赋值即可。

完结