STL：vector

文章目录

标准库中的vector
- vector的构造
- vector的迭代器
- vector的容量
- vector的元素访问
- - data
- vector的修改
vector和string的迭代器失效问题
- resize、reserve、insert、push_back、assign
- erase
- g++ 和 vs 的区别
- string
- 解决迭代器失效的方法

标准库中的vector

vector是表示可变大小数组的序列容器。
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。
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。
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。
与其它动态序列容器相比（deque, listand 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的构造

在这里插入图片描述

（1）空容器构造函数（默认构造函数）：构造一个没有元素的空容器。

（2）填充构造函数：构造一个包含 n 个元素的容器。每个元素都是 val 的副本（如果提供）。

（3）范围构造函数：构造一个容器，其元素数与范围 [first，last) 一样多，每个元素按相同的顺序从该范围内的相应元素嵌入构造。

（4）复制构造函数（以及使用 Allocator 进行复制）：构造一个容器，其中包含 x 中每个元素的副本，顺序相同。

（5）移动构造函数（并使用分配器移动）：构造一个获取 x 元素的容器。如果指定了 alloc 并且与 x 的分配器不同，则会移动元素。否则，不会构建任何元素（其所有权直接转移）。x 保持未指定但有效的状态。

（6）初始值设定项列表构造函数：构造一个容器，其中包含 il 中每个元素的副本，顺序相同。

Example：

#include <iostream>
#include <vector>

int main ()
{
    // constructors used in the same order as described above:
    std::vector<int> first;                                // empty vector of ints
    std::vector<int> second (4,100);                       // four ints with value 100
    std::vector<int> third (second.begin(),second.end());  // iterating through second
    std::vector<int> fourth (third);                       // a copy of third

    // the iterator constructor can also be used to construct from arrays:
    int myints[] = {16,2,77,29};
    std::vector<int> fifth (myints, myints + sizeof(myints) / sizeof(int) );

    std::cout << "The contents of fifth are:";
    for (std::vector<int>::iterator it = fifth.begin(); it != fifth.end(); ++it)
        std::cout << ' ' << *it;
    std::cout << '\n';

    return 0;
}

Output：

The contents of fifth are: 16 2 77 29

vector的迭代器

从上面的例子中fifth的构造不难看出，vector的迭代器就是一个指针变量。
在这里插入图片描述

Example：

#include <iostream>
#include <vector>

int main ()
{
  std::vector<int> myvector;
  for (int i=1; i<=5; i++) myvector.push_back(i);

  std::cout << "myvector contains:";
  for (std::vector<int>::iterator it = myvector.begin() ; it != myvector.end(); ++it)
    std::cout << ' ' << *it;
  std::cout << '\n';

  return 0;
}

Output：

myvector contains: 1 2 3 4 5

vector的容量

在这里插入图片描述

vector提供的容量接口和上文的string非常一致，这也是STL的优势之一，多个容器使用统一的接口，降低了用户的学习成本，同时也使代码风格更统一，vector的容量接口可以类比string，两者区别不大。

vector的元素访问

在这里插入图片描述

前四个也和string一样，不同的是vector多了一个data函数

data

在这里插入图片描述

访问数据：返回指向 vector 内部用于存储其拥有的元素的内存数组的直接指针。

其实就是返回vector的起始位置的指针，因为vector内的元素在物理空间上是线性排列的，所以拿到起始位置的指针，也就相当于可以访问vector的所有元素。

Example：

#include <iostream>
#include <vector>

int main ()
{
  std::vector<int> myvector (5);

  int* p = myvector.data();

  *p = 10;
  ++p;
  *p = 20;
  p[2] = 100;

  std::cout << "myvector contains:";
  for (unsigned i=0; i<myvector.size(); ++i)
    std::cout << ' ' << myvector[i];
  std::cout << '\n';

  return 0;
}

Output：

myvector contains: 10 20 0 100 0

vector的修改

在这里插入图片描述

修改接口也和string一致，需要注意的是，vector的insert效率较低，要尽量避免使用。

vector和string的迭代器失效问题

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)。对于vector可能会导致其迭代器失效的操作有：

resize、reserve、insert、push_back、assign

#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;
}

erase

#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。

以下是删除vector中所有的偶数的代码

#include <iostream>
using namespace std;
#include <vector>
 
// 错误示例
/*
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;
}*/
 
// 正确示例
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;
}

g++ 和 vs 的区别

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
#include <vector>
#include <algorithm>
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。

string

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;
    }
}