【c++】STL--vector

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。

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

--vector（size_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。

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！