【C++ 】-vector：新时代动态数组的革新与未来

1. vector的介绍及使用

1.1 vector的介绍

1.1.1 vector是什么

1.1.2 vector的存储机制

1.2 vector的使用

1.2.1 定义和构造函数

1.2.2 迭代器

1.2.3 容量相关操作

1.2.4 元素访问和修改

1.3 迭代器失效问题

2. vector深度剖析及模拟实现

2.1 std::vector的模拟实现

2.2 memcpy的使用问题

2.3 动态二维数组

总结

专栏：C++学习笔记

上一卷：C++—STL

在C++标准模板库(STL)中，vector是一个非常重要的容器，它提供了一个动态数组，可以根据需要自动调整其大小。

1. `vector`的介绍及使用

1.1 `vector`的介绍

1.1.1 `vector`是什么

vector是一个序列容器，表示可变大小的数组。与数组相似，vector使用连续的存储空间来存储元素，因此可以通过下标访问元素，且效率与数组相当。不同的是，vector的大小是动态的，会随着元素的增加自动调整。

小李的理解：vector就像是一个能自动扩展的数组，当需要放更多的东西时，它会自动找更大的地方，把原来的东西搬过去。

1.1.2 `vector`的存储机制

vector的实现基于动态分配数组。当新元素插入时，如果当前数组容量不足，vector会重新分配一个更大的数组，并将现有元素复制到新数组中。这种重新分配是一个耗时操作，但vector通常会预留额外的空间以减少重新分配的频率，从而优化性能。

小李的理解：vector的存储方式就像是搬家，当家里东西太多放不下时，它会找到一个更大的房子，把所有东西搬过去，这样下次再放东西就不用总是搬家了。

1.2 `vector`的使用

使用vector时，必须熟悉其常用接口。以下是一些重要的接口：

1.2.1 定义和构造函数

无参构造函数：vector()
指定大小和默认值的构造函数：vector(size_type n, const value_type& val = value_type())
拷贝构造函数：vector(const vector& x)
使用迭代器范围的构造函数：vector(InputIterator first, InputIterator last)

#include <vector>
#include <iostream>

int main() {
    std::vector<int> v1; // 默认构造函数
    std::vector<int> v2(10, 1); // 构造一个包含10个1的vector
    std::vector<int> v3(v2); // 拷贝构造
    std::vector<int> v4(v2.begin(), v2.end()); // 迭代器范围构造

    return 0;
}

小李的理解：创建vector的方法就像是买不同规格的箱子，有的箱子是空的（无参构造），有的箱子里已经装满了指定数量的物品（指定大小和默认值），有的箱子是完全照搬另一个箱子的东西（拷贝构造），还有的是根据一个范围内的物品来装箱（迭代器范围构造）。

1.2.2 迭代器

begin() 和 end()：获取首元素和末尾后一个位置的迭代器
rbegin() 和 rend()：获取末元素和首元素前一个位置的反向迭代器

#include <vector>
#include <iostream>

int main() {
    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;
    return 0;
}

小李的理解：迭代器就像是一个指针，可以帮我们一个一个地访问箱子里的东西，从头到尾，也可以从尾到头。

1.2.3 容量相关操作

size()：获取当前元素个数
capacity()：获取当前容量
empty()：判断是否为空
resize()：调整大小
reserve()：预留存储空间

#include <vector>
#include <iostream>

int main() {
    std::vector<int> v;
    v.reserve(10); // 预留空间
    v.resize(5); // 调整大小为5
    std::cout << "Size: " << v.size() << ", Capacity: " << v.capacity() << std::endl;
    return 0;
}

小李的理解：size告诉我们箱子里有多少东西，capacity告诉我们箱子能装多少东西，empty告诉我们箱子是不是空的，resize可以调整箱子里的东西数量，reserve可以提前预留空间，避免频繁换箱子。

1.2.4 元素访问和修改

operator[]：下标访问
at()：带边界检查的访问
push_back()：尾部插入
pop_back()：尾部删除
insert()：在指定位置插入
erase()：删除指定位置的元素
swap()：交换两个vector的内容

#include <vector>
#include <iostream>

int main() {
    std::vector<int> v{1, 2, 3, 4, 5};
    v.push_back(6); // 尾部插入
    std::cout << "After push_back(6): ";
    for (const auto& elem : v) {
        std::cout << elem << " ";
    }
    std::cout << std::endl; // After push_back(6): 1 2 3 4 5 6
    
    v.pop_back(); // 尾部删除
    std::cout << "After pop_back: ";
    for (const auto& elem : v) {
        std::cout << elem << " ";
    }
    std::cout << std::endl; // After pop_back: 1 2 3 4 5
    
    v.insert(v.begin() + 2, 10); // 在第三个位置插入10
    std::cout << "After insert at position 2: ";
    for (const auto& elem : v) {
        std::cout << elem << " ";
    }
    std::cout << std::endl; // After insert at position 2: 1 2 10 3 4 5
    
    v.erase(v.begin() + 2); // 删除第三个位置的元素
    std::cout << "After erase at position 2: ";
    for (const auto& elem : v) {
        std::cout << elem << " ";
    }
    std::cout << std::endl; // After erase at position 2: 1 2 3 4 5
    
    std::vector<int> v2{7, 8, 9};
    std::swap(v, v2); // 交换内容
    std::cout << "After swap: v: ";
    for (const auto& elem : v) {
        std::cout << elem << " ";
    }
    std::cout << std::endl; // After swap: v: 7 8 9
    std::cout << "v2: ";
    for (const auto& elem : v2) {
        std::cout << elem << " ";
    }
    std::cout << std::endl; // v2: 1 2 3 4 5

    return 0;
}

解释：

v.push_back(6)在vector末尾插入6，结果为1 2 3 4 5 6。
v.pop_back()删除vector末尾元素，结果为1 2 3 4 5。
v.insert(v.begin() + 2, 10)在第三个位置插入10，结果为1 2 10 3 4 5。
v.erase(v.begin() + 2)删除第三个位置的元素，结果为1 2 3 4 5。
std::swap(v, v2)交换v和v2的内容，v变为7 8 9，v2变为1 2 3 4 5。

小李的理解：vector就像是一个万能的箱子，不仅可以用下标访问里面的东西，还可以在尾部添加或删除东西，在指定位置插入或删除东西，还能和另一个箱子的东西互换。

1.3 迭代器失效问题

在vector的操作中，有些操作可能会导致迭代器失效，如resize、reserve、insert、assign、push_back等。当这些操作引起底层数组重新分配时，原来的迭代器会指向无效的内存区域，继续使用这些迭代器会导致程序崩溃。因此，在这些操作后，必须重新获取迭代器。

#include <vector>
#include <iostream>

int main() {
    std::vector<int> v{1, 2, 3, 4, 5, 6};
    auto it = v.begin();
    
    // 操作可能导致迭代器失效
    v.assign(100, 8);
    
    // 必须重新获取迭代器
    it = v.begin();
    while (it != v.end()) {
        std::cout << *it << " ";
        ++it;
    }
    std::cout << std::endl;
    return 0;
}

小李的理解：迭代器就像是箱子里的一个标记，告诉我们从哪里开始访问东西。但是如果箱子重新调整过，原来的标记就会失效，所以每次调整后需要重新放置标记。

2. `vector`深度剖析及模拟实现

2.1 `std::vector`的模拟实现

要深入理解vector，可以尝试实现一个简单的模拟版本。下面是一个简化的vector实现示例：

#include <iostream>  // Include this header for std::cout and std::endl

template <typename T>
class Vector {
private:
    T* data;
    size_t sz;
    size_t cap;

    void reallocate(size_t new_cap) {
        T* new_data = new T[new_cap];
        for (size_t i = 0; i < sz; ++i) {
            new_data[i] = std::move(data[i]);
        }
        delete[] data;
        data = new_data;
        cap = new_cap;
    }

public:
    Vector() : data(nullptr), sz(0), cap(0) {}

    void push_back(const T& value) {
        if (sz == cap) {
            reallocate(cap == 0 ? 1 : cap * 2);
        }
        data[sz++] = value;
    }

    size_t size() const { return sz; }
    size_t capacity() const { return cap; }
    T& operator[](size_t index) { return data[index]; }

    ~Vector() { delete[] data; }
};

int main() {
    Vector<int> v;
    v.push_back(1);
    v.push_back(2);
    v.push_back(3);

    std::cout << "v size: " << v.size() << ", capacity: " << v.capacity() << std::endl; // v size: 3, capacity: 4
    for (size_t i = 0; i < v.size(); ++i) {
        std::cout << v[i] << " ";
    }
    std::cout << std::endl; // 1 2 3

    return 0;
}

解释：

v.push_back(1), v.push_back(2), v.push_back(3)将三个元素插入vector。
初始容量为0，每次容量不足时容量翻倍，最终容量为4，大小为3。
输出vector大小和容量，结果为v size: 3, capacity: 4。
输出所有元素，结果为1 2 3。

小李的理解：这个模拟实现就像是自己动手做一个可扩展的箱子，当箱子满了，我们自己找个更大的地方搬过去，这样就可以不断地增加箱子里的东西。

2.2 `memcpy`的使用问题

在vector的实现中，有时会使用memcpy来复制内存。但是，如果元素类型是自定义类型，且涉及资源管理，memcpy的浅拷贝会导致问题，如内存泄漏或程序崩溃。因此，对于自定义类型，应避免使用memcpy，而应使用元素的拷贝构造函数。

#include <iostream>
#include <cstring>

class MyClass {
public:
    int* data;
    MyClass(int value) {
        data = new int(value);
    }
    ~MyClass() {
        delete data;
    }
};

int main() {
    MyClass obj1(10);
    MyClass obj2(20);
    
    // 浅拷贝导致问题
    std::memcpy(&obj2, &obj1, sizeof(MyClass));
    
    std::cout << *obj2.data << std::endl; // 可能导致程序崩溃
    
    return 0;
}

小李的理解：memcpy就像是复制一个箱子里的东西，但如果箱子里的东西需要特别处理（比如需要手动管理的资源），直接复制可能会出问题，应该用正确的方法来复制这些东西。、

结论：如果对象中涉及到资源管理时，千万不能使用memcpy进行对象之间的拷贝，因为memcpy是浅拷贝，否则可能会引起内存泄漏甚至程序崩溃。

2.3 动态二维数组

使用vector可以方便地构建动态二维数组，例如，生成杨辉三角：

#include <vector>
#include <iostream>

void generate_pascals_triangle(size_t n) {
    std::vector<std::vector<int>> vv(n);
    for (size_t i = 0; i < n; ++i) {
        vv[i].resize(i + 1, 1);
        for (size_t j = 1; j < i; ++j) {
            vv[i][j] = vv[i - 1][j] + vv[i - 1][j - 1];
        }
    }
    for (const auto& row : vv) {
        for (int val : row) {
            std::cout << val << " ";
        }
        std::cout << std::endl;
    }
}

int main() {
    size_t n = 5; // You can change this value to generate more rows of Pascal's Triangle
    generate_pascals_triangle(n);
    return 0;
}

小李的理解：动态二维数组就像是很多小箱子放在一个大箱子里，每个小箱子可以根据需要调整大小，用来存放不同数量的东西。比如杨辉三角，每一行的小箱子里放的东西都不一样多。

总结

C++中的vector是一个动态数组，可以根据需要自动调整大小。它使用连续的内存空间，像普通数组一样可以通过下标快速访问元素，但与普通数组不同的是，vector可以动态增加或减少元素。创建vector有多种方式，包括默认构造、指定大小和默认值、拷贝构造等。常用的操作有插入、删除、访问和遍历元素，vector还提供了容量管理的方法，如reserve和resize，以优化性能。在使用过程中需要注意迭代器失效的问题，当vector重新分配内存时，原来的迭代器会失效，必须重新获取。通过这些特性，vector在处理动态数据时非常方便和高效。