【浅尝C++】STL第二弹=＞迭代器失效详解/vector常用接口使用示例/vector底层结构探索/vector模拟实现代码详解

news2024/11/25 23:48:52

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🏠专栏介绍：浅尝C++专栏是用于记录C++语法基础、STL及内存剖析等。
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文章目录

  • vector介绍
  • vector常用接口及使用示例
    • 构造类函数
    • 迭代器的使用
    • 容量操作
    • 增删改查
  • 迭代器失效详解与vector底层结构探索
  • vector模拟实现
    • 构造类函数
    • 属性获取类函数
    • 扩容与容量重置函数
    • 插入与删除函数
    • vector模拟实现代码汇总（含正向迭代器）
    • vector实现二维数组

vector介绍

vector就是一个可以自动扩大容量的数组，它与顺序表具有相同的性质，如适合随机访问、尾部插入删除效率高。关于顺序表的特点，可以查阅该篇文章→数据结构线性表（含顺序表及链表）介绍

下面给出6条关于vector的概括性介绍：

  1. vector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。
  4. 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，因而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 及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。

vector常用接口及使用示例

构造类函数

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())构造并初始化为n个val
vector(const vector& x)拷贝构造
vector(InputIterator first, InputIterator last)使用迭代器进行初始化构造

下面给出vector各种构造类函数的使用示例↓↓↓

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

void testVector()
{
	//无参构造
	vector<int> vc1;

	//5个'c'构造vector
	vector<char> vc2(5, 'c');
	for(auto ch : vc2)
	{
		cout << ch << " "; 
	}
	cout << endl;

	//使用vc2构造vc3
	vector<char> vc3(vc2);
	for(auto ch : vc3)
	{
		cout << ch << " "; 
	}
	cout << endl;

	//使用容器的起始与终止迭代器构造vector
	string s = "Jammingpro";
	vector<char>vc4(s.begin(), s.end());
	for(auto ch : vc4)
	{
		cout << ch << " "; 
	}
	cout << endl;
}

int main()
{
	testVector();
	return 0;
}

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迭代器的使用

迭代器接口说明
begin + endbegin获取第一个数据的位置，end获取最后一个数据的下一个位置
rbegin + rendrbegin获取最后一个数据的位置，rend获取第一个数据的前一个位置

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如上图所示，begin指向第一个元素的位置，end指向向最后一个元素的下一个位置。下面给出begin和end这俩迭代器的使用示例

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

void testVector()
{
	vector<int> vc = {1,2,3,4,5,6,7,8};
	vector<int>::iterator it = vc.begin();
	while(it != vc.end())
	{
		cout << *it << " ";
		++it;
	}
	cout << endl;
}

int main()
{
	testVector();
	return 0;
}

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这里可以先将迭代器先理解为数组指针，it指向数组的首地址，++it就可以将指针指向下一个元素的首地址。下文将对vector的迭代器进行模拟实现。

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对于反向迭代器来说，rbegin指向最后一个元素，rend指向首元素的前一个位置。其他操作与正向迭代器begin与end没有区别。对反向迭代器进行++操作，等同于对指针-1操作。也就说，反向迭代器初始化为rbegin后，每执行一次++操作，迭代器就会向前移动一个位置，而不是向后移动。

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

void testVector()
{
	vector<int> vc = {1,2,3,4,5,6,7,8};
	vector<int>::reverse_iterator it = vc.rbegin();
	while(it != vc.rend())
	{
		cout << *it << " ";
		++it;
	}
	cout << endl;
}

int main()
{
	testVector();
	return 0;
}

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普通迭代器的类型为iterator、反向迭代器的类型为reverse_iterator，除了这两种迭代器，还有const_iterator和const_reverse_iterator，这两个迭代器用于对const类型的容器进行正反向遍历，它们不能对容器内的数据进行修改，而非const迭代器可以修改容器内的数据。↓↓↓

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

void testConstVector(const vector<int> vc)
{
	vector<int> vc = {1,2,3,4,5,6};
	vector<int>::const_iterator it = vc.begin();
	while(it != vc.end())
	{
		*it += 1;//error!!
		++it;
	}
}

void testVector()
{
	vector<int> vc = {1,2,3,4,5,6};
	vector<int>::iterator it = vc.begin();
	while(it != vc.end())
	{
		*it += 1;//ok!!
		++it;
	}
	for(auto e : vc)
	{
		cout << *it << " ";
	}
	cout << endl;
}

int main()
{
	testVector();
	return 0;
}

容量操作

接口声明接口说明
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

vector的capacity（容量）一般都会size（有效数据个数）要大。因为vector的底层是包含连续空间的顺序表，扩容时可能需要大量移动数据，扩容效率较低。因而，vector会在扩容时，按照1.5倍或2倍扩容。

下面代码用于验证vs下与g++下vector的扩容规律↓↓↓

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

void testVector()
{
	vector<int> vc;
	int sz = vc.capacity();//获取初始容量
	for(int i = 0; i < 100; i++)
	{
		vc.push_back(i);
		if(sz != vc.capacity())
		{
			sz = vc.capacity();
			cout << "vector capacity change to : " << sz << endl;
		}
	}
}

int main()
{
	testVector();
	return 0;
}

vs下执行结果如下图所示，说明vs按照1.5倍左右进行扩容。
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而g++下执行结果入下图所示，说明g++按照2倍左右进行扩容。
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empty用于判断vector容器中的有效数据数量是否为0；reserve用于提前给vector开辟空间，如果我们预先知道将要插入1000个数据，则我们可以预先开辟1000个空间，这样可以避免频繁扩容导致的效率损失。resize：当resize指定大小n小于有效数据个数时，则会将位于下标n及n后面的有效数据删除；当resize指定大小n大于有效数据个数时，则会在size到n-1的位置填充resize传入参数中指定的数据。

下面给出这3个函数的使用示例↓↓↓

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

void testVector()
{
	vector<int> vc;
	if(vc.empty())
	{
		cout << "vc is empty" << endl;
	}
	cout << "vc's capacity is " << vc.capacity() << endl;
	vc.reserve(100);
	cout << "vc's capacity is " << vc.capacity() << endl;
	for(int i = 0; i < 100; i++)
	{
		vc.push_back(i);
	}
	cout << "vc's size is " << vc.size() << endl;
}

int main()
{
	testVector();
	return 0;
}

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增删改查

接口声明接口说明
push_back尾插
pop_back尾删
insert在pos前插入val
erase删除pos位置的数据
swap交换两个vector的数据空间
operator[ ]想数组一样使用[ ]进行访问

下面给出上面各个接口的使用示例↓↓↓

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

void testVector()
{
	vector<int> vc;
	vc.push_back(1);
	vc.push_back(2);
	vc.push_back(3);
	vc.push_back(4);
	vc.push_back(5);
	cout << "after push back:";
	for(auto ch : vc)
	{
		cout << ch << " ";
	}
	cout << endl;

	vc.pop_back();
	cout << "after pop back:";
	for(auto ch : vc)
	{
		cout << ch << " ";
	}
	cout << endl;
	
	vc.insert(vc.begin(), 888);
	cout << "after insert:";
	for(auto ch : vc)
	{
		cout << ch << " ";
	}
	cout << endl;

	vc.erase(vc.begin());
	cout << "after erase:";
	for(auto ch : vc)
	{
		cout << ch << " ";
	}
	cout << endl;
	
	vector<int> vc2 = {666,777,888};
	cout << "before swap vc2 is:" ;
	for(auto ch : vc2)
	{
		cout << ch << " ";
	}
	cout << endl;
	
	vc2.swap(vc);
	cout << "after swap:";
	for(auto ch : vc)
	{
		cout << ch << " ";
	}
	cout << endl;

	vc2[2] = 999;
	cout << "after operator[]:";
	for(auto ch : vc2)
	{
		cout << ch << " ";
	}
	cout << endl;
}

int main()
{
	testVector();
	return 0;
}

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迭代器失效详解与vector底层结构探索

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我们可以通过vs的监视窗口查看到，vector底层总共3个指针，_first指向堆区开辟空间的首地址，_last指向最后一个有效元素的下一位置，_end指向指向容量的下一位置。

而迭代器底层是什么呢？由下图可以看到，vector迭代器底层是一个指向堆区空间的指针。
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如果我们在vector扩容器，执行vector<int>::iteartor it = vc.begin()则可以获得vc的_first指针内容，及it的指针指向0x00000000。如果此时插入数据后，vc发生扩容，将旧空间数据拷贝到新空间，并将旧空间释放，新的_first指针内容变为0x00FCA580，而此时it中的指针仍然指向旧空间，如果此时对it进行解引用操作，就会发生非法访问的错误。（下图演示了该文字表述的内容）
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vector模拟实现

我们参照SGI版本的STL命名方式，它的_start指向指向开辟的空间首地址，_final指向最后一个后效数据的下一位置，_end_of_storage指向开辟空间最后一个位置的下一位置。
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下面给出即将模拟实现的vector类的框架（含默认构造及析构函数）↓↓↓

template<class T>
class vector
{
public:
	vector()
	{}
	~vector()
	{
		if(_start)
		{
			delete[] _start;
			_start = _final = _end_of_storage = nullptr;
		}
	}
private:
	T* _start = nullptr;
	T* _final = nullptr;
	T* _end_of_storage = nullptr;
};

构造类函数

编译器自动生成的默认构造函数与拷贝赋值都是对_first、_final、_end_of_storage进行值拷贝。如下图所示。若使用vc来构造vc2，则会使得vc和vc2的成员变量保存同一份地址，当vc析构释放_first指向的空间后，vc2再析构时也会重复释放该空间，导致出错。
在这里插入图片描述
因此，我们需要重写拷贝构造与拷贝赋值函数

vector(const vector<T>& vc)
{
	_final = vc._size;
	_end_of_storage = vc._end_of_storage;
	_start = new T[_end_of_storage];
	memcpy(_start, vc._start, sizeof(T) * vc.size());
}

vector<T>& operator=(const vector<T> vc)
{
	if (this != &vc)
	{
		T* tmp = new T[vc._end_of_storage];
		memcpy(tmp, vc._start, sizeof(T) * vc._size);

		if (_start) delete[] _start;
		_start = tmp;
		_final = _start + vc.size();
		_end_of_storage = _start + vc.capacity();
	}
}

属性获取类函数

下面实现的empty、size、capacity、operator[]函数↓↓↓

bool empty() const
{
	return _start == _final;
}
size_t size() const
{
	return _final - _start;
}
size_t capacity() const
{
	return _end_of_storage - _start;
}
T& operator[](const size_t pos)
{
	assert(pos < size());
	return _start[pos];
}

扩容与容量重置函数

void reserve(const size_t& n)
{
	if (n > capacity())
	{
		size_t sz = size();
		T* tmp = new T[n];
		memcpy(tmp, _start, sizeof(T) * sz);

		if (_start) delete[] _start;
		_start = tmp;
		_final = _start + sz;
		_end_of_storage = _start + n;
	}
}

void resize(const size_t& sz, const T& val = T())
{
	if (sz <= size())
	{
		_final = _start + sz;
	}
	else
	{
		if (sz > capacity())
		{
			reserve(sz);
		}
		for (int i = size(); i < sz; i++)
		{
			_start[i] = val;
		}
		_final = _start + sz;
	}
}

插入与删除函数

void push_back(const T& val)
{
	if (size() == capacity())
	{
		int newsize = capacity() == 0 ? 10 : 2 * capacity();
		reserve(newsize);
	}
	_start[size()] = val;
	_final++;
}
void pop_back()
{
	assert(!empty());
	_final--;
}
void insert(T* pos, const T& val)
{
	if (size() == capacity())
	{
		int newsize = capacity() == 0 ? 10 : 2 * capacity();
		reserve(newsize);
	}
	T* it = _final;
	while (it > pos)
	{
		*it = *(it - 1);
		--it;
	}
	*pos = val;
	_final++;
}
void erase(T* pos)
{
	assert(!empty());
	T* it = pos;
	while (it < _final)
	{
		*it = *(it + 1);
		++it;
	}
	--_final;
}

vector模拟实现代码汇总（含正向迭代器）

★ps：insert可能会引起vector产生扩容，导致迭代器失效，SGI版本STL中将需要新的迭代器返回。下面代码中insert与erase与SGI版本返回值保持一致。

namespace jammingpro
{
	template<class T>
	class vector
	{
		typedef T* iterator;
		typedef const T* const_iterator;
	public:
		iterator begin()
		{
			return _start;
		}
		iterator end()
		{
			return _final;
		}
		const_iterator begin() const
		{
			return _start;
		}
		const_iterator end() const
		{
			return _final;
		}
		vector()
		{}
		vector(const vector<T>& vc)
		{
			_final = vc._size;
			_end_of_storage = vc._end_of_storage;
			_start = new T[_end_of_storage];
			memcpy(_start, vc._start, sizeof(T) * vc.size());
		}
	
		vector<T>& operator=(const vector<T> vc)
		{
			if (this != &vc)
			{
				T* tmp = new T[vc._end_of_storage];
				memcpy(tmp, vc._start, sizeof(T) * vc._size);
	
				if (_start) delete[] _start;
				_start = tmp;
				_final = _start + vc.size();
				_end_of_storage = _start + vc.capacity();
			}
		}
		~vector()
		{
			if (_start)
			{
				delete[] _start;
				_start = _final = _end_of_storage = nullptr;
			}
		}
		bool empty() const
		{
			return _start == _final;
		}
		size_t size() const
		{
			return _final - _start;
		}
		size_t capacity() const
		{
			return _end_of_storage - _start;
		}
		T& operator[](const size_t pos)
		{
			assert(pos < size());
			return _start[pos];
		}
		void reserve(const size_t& n)
		{
			if (n > capacity())
			{
				size_t sz = size();
				T* tmp = new T[n];
				memcpy(tmp, _start, sizeof(T) * sz);
	
				if (_start) delete[] _start;
				_start = tmp;
				_final = _start + sz;
				_end_of_storage = _start + n;
			}
		}
	
		void resize(const size_t& sz, const T& val = T())
		{
			if (sz <= size())
			{
				_final = _start + sz;
			}
			else
			{
				if (sz > capacity())
				{
					reserve(sz);
				}
				for (int i = size(); i < sz; i++)
				{
					_start[i] = val;
				}
				_final = _start + sz;
			}
		}
		void push_back(const T& val)
		{
			if (size() == capacity())
			{
				int newsize = capacity() == 0 ? 10 : 2 * capacity();
				reserve(newsize);
			}
			_start[size()] = val;
			_final++;
		}
		void pop_back()
		{
			assert(!empty());
			_final--;
		}
		iterator insert(T* pos, const T& val)
		{
			int sz = pos - _start;
			if (size() == capacity())
			{
				int newsize = capacity() == 0 ? 10 : 2 * capacity();
				reserve(newsize);
			}
			T* it = _final;
			while (it > pos)
			{
				*it = *(it - 1);
				--it;
			}
			*(_start + sz) = val;
			_final++;
			return _start + sz;
		}
		iterator erase(T* pos)
		{
			assert(!empty());
			T* it = pos;
			while (it < _final)
			{
				*it = *(it + 1);
				++it;
			}
			--_final;
			return pos;
		}
	private:
		T* _start = nullptr;
		T* _final = nullptr;
		T* _end_of_storage = nullptr;
	};
}

vector实现二维数组

如果想使用vector二维数组可以定义如下代码：

void test()
{
	vector<vector<int>>vc(5, vector<int>(6, 0));
}

上面的代码相当于创建了一个包含5个vector的vector容器
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目录 1. offsetof宏2. 交换奇偶位 1. offsetof宏 我们想用宏来实现offsetof函数,首先要了解这个函数的用法。 1.1 offsetof函数的介绍及用法 &#xff08;1&#xff09;功能&#xff1a;用来计算结构体中一个成员在该结构体中的相对起始位置的偏移量&#xff0c;单位是字节。 …
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【数据结构】优先级队列——堆

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&#x1f9e7;&#x1f9e7;&#x1f9e7;&#x1f9e7;&#x1f9e7;个人主页&#x1f388;&#x1f388;&#x1f388;&#x1f388;&#x1f388; &#x1f9e7;&#x1f9e7;&#x1f9e7;&#x1f9e7;&#x1f9e7;数据结构专栏&#x1f388;&#x1f388;&#x1f388;&…
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16进制的字符串转byte[]数组 以及将字节数组转换成十六进制的字符串

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16进制的字符串转byte[]数组 public class ClientString16 {@Testpublic void get16Str(){String str="48 47 12 00 14 12 16 08 15 0d 30 0f 02 30 30 30 30 30 30 30 30 30 30 00 c2";byte[] bytes = hexStringToByteArray(str);getBytetoString(bytes);//String …
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书生浦语全链条开源开放体系

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开放了高质量语料数据 预训练 微调 评测 评测框架 部署 智能体 例如把openlab对于计算机视觉的封装
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在Chrome浏览器中打开抗量子加密功能

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Chrome 116提供了一些新的功能&#xff0c;其中包括了对于抗量子算法Kyber的支持&#xff0c;用户可以通过以下的步骤打开&#xff1a; 1.在浏览器中输入&#xff1a; chrome://flags/#enable-tls13-kyber 2.将TLS 1.3 hybridized Kyber support功能使能&#xff1a; 3.打开&…
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编程新手必看，Pycham开发工具使用及项目创建（3）

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介绍&#xff1a;PyCharm是一款由JetBrains开发的专业Python集成开发环境&#xff08;IDE&#xff09;。 PyCharm为Python开发者提供了一整套工具&#xff0c;以提高编程效率和改善代码质量。以下是其主要特点和功能&#xff1a; 代码编辑与智能提示&#xff1a;具备高级代码编…
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