1. C++ Vector 简介与基本使用

C++ 的 vector 是一个序列容器，用于表示可变大小的数组。它结合了数组的高效元素访问和动态大小调整的灵活性。与静态数组相比，vector 的大小可以根据需要自动调整，这是通过在底层使用动态数组来实现的。当新元素被插入到 vector 中时，如果现有空间不足以容纳更多元素，将会自动重新分配一个更大的数组空间，并将所有现有元素移动到新的存储位置。这个动态扩容机制虽然提供了极大的灵活性，但也可能是性能的瓶颈，特别是在元素频繁插入的情况下。

具体模拟实现请移步查看https://github.com/hqxnb666/C-/blob/main/vector.h

1.1 Vector 的构造与初始化

vector 提供了多种构造函数：

• 默认构造函数：创建一个空的 vector。
• 填充构造函数：创建一个具有初始大小的 vector，每个元素都是拷贝指定值。
• 范围构造函数：通过迭代器指定的范围来构造 vector。
• 拷贝构造函数：通过复制另一个 vector 的所有元素来构造新的 vector。

1.2 Vector 的操作

vector 支持多种操作，包括访问（使用 operator[]）、插入（push_back 和 insert）、删除（pop_back 和 erase）和容量调整（resize 和 reserve）。特别需要注意的是，很多操作可能会导致 vector 进行重新分配空间，这将导致已有的迭代器、指针和引用失效。

1.2.1 Vector Iterator 的使用

vector 的迭代器是一种允许遍历容器元素的工具，表现得类似于指针。迭代器对于在 vector 中进行元素访问和修改都非常有用。了解如何正确地使用迭代器对于编写高效和安全的 C++ 代码至关重要。

迭代器类型

• 正向迭代器 (iterator, const_iterator): 允许读写操作或只读操作，并能向前移动（即递增操作）来访问 vector 的元素。
• 反向迭代器 (reverse_iterator, const_reverse_iterator): 允许从容器末尾开始向开始方向遍历元素。

迭代器的使用

迭代器最常见的用法是在循环中遍历 vector。例如，使用正向迭代器遍历所有元素：

std::vector<int> v = {1, 2, 3, 4, 5};
for (auto it = v.begin(); it != v.end(); ++it) {
    std::cout << *it << " ";
}
std::cout << std::endl;

基本操作

• begin() 和 end(): begin() 返回指向 vector 第一个元素的迭代器，而 end() 返回指向 vector 末尾（最后一个元素的下一个位置）的迭代器。
• rbegin() 和 rend(): rbegin() 返回指向 vector 最后一个元素的反向迭代器，rend() 返回指向 vector 开始前一个位置的反向迭代器。

1.2.2 vector 空间增长问题  

// 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';
 }
 }
}

 1.2.3 vector 增删查改

 https://github.com/hqxnb666/C-/blob/main/vector.h

1.2.4 vector 迭代器失效问题

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

#include <vector>
#include <iostream>

int main() {
    std::vector<int> vec = {1, 2, 4, 5};
    auto it = vec.begin() + 2; // 指向元素 4
    it = vec.insert(it, 3); // 在 4 之前插入 3

    // 输出新的 vector 内容
    for (int num : vec) {
        std::cout << num << " ";
    }
    std::cout << std::endl;

    // 继续使用 it，现在 it 指向新插入的 3
    ++it; // 安全地移动到下一个元素，即原来的 4
    std::cout << "Next element after 3: " << *it << std::endl;
}

#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;
}

2. Vector 深度剖析及模拟实现

vector 的实现细节可以深入理解其性能和存储特性。std::vector的核心框架接口的模拟实现bit::vector  

2.1 模拟实现 Vector

深入探讨 vector 的模拟实现可以帮助更好地理解其内部机制。例如，使用 memcpy 进行元素拷贝在面对非平凡数据类型时可能会出现问题，因为 memcpy 只进行浅拷贝。在自定义数据类型涉及深层资源管理时，浅拷贝可能导致资源泄漏或程序崩溃。

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？

结论

通过本文的学习，我们不仅理解了 vector 的基本用法和实现原理，还探讨了其在实际编程中的高级应用。理解这些概念将有助于开发更高效、更健壯的软件系统。对于希望深入学习 C++ 或进行系统性能优化的开发者来说，深入掌握 vector 的使用和原理是非常有价值的。