一、vector的介绍

1. vector 是一种序列容器，表示可变大小的数组。
2. 就像数组一样，它使用连续的存储空间来存储元素，支持高效的下标访问。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，所以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：为了避免频繁的内存重新分配，vector 会预留额外的空间以适应可能的增长。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 and 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。
   
   
   使用STL的三个境界：能用，明理，能扩展 ，那么下面学习vector，我们也是按照这个方法去学习

二、vector的使用

1. 构造

void text_vector1()
{
    vector<int> v1; //无参构造
    vector<int> v2(4, 100); //用四个值为100的元素 构造
    vector<int> v3(v2.begin(), v2.end()); //迭代器区间构造
    vector<int> v4(v3); //拷贝构造

    // 下面涉及迭代器初始化的部分，我们学习完迭代器再来看这部分
    int myints[] = { 16,2,77,29 };
    vector<int> fifth(myints, myints + sizeof(myints) / sizeof(int));
    cout << "The contents of fifth are:";
}

2. 迭代器

3. vector 空间增长问题

• capacity的代码在vs和g++下分别运行会发现，vs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。

// 测试vector的默认扩容机制
void text_expand()
{
    size_t size;
    vector<int> v;
    size = v.capacity();
    cout << "making v grow:\n";
    for (int i = 0; i < 100; ++i)
    {
        v.push_back(i);
        if (size != v.capacity())
        {
            size = v.capacity();
            cout << "capacity changed: " << size << '\n';
        }
    }
}

VS2022 运行结果：

g++ 运行结果：

// 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 text_expandOP()
{
    vector<int> v;
    size_t size = 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 (size != v.capacity())
        {
            size = v.capacity();
            cout << "capacity changed: " << size << '\n';
        }
    }
}

4. 增删查改

// vector遍历方式
void text_vector2()
{
    vector<int> v1{ 1, 2, 3, 4 };

    // 通过[]读写第0个位置。
    v1[0] = 10;
    cout << v1[0] << endl;

    // 1. 使用for+[]小标方式遍历
    for (size_t i = 0; i < v1.size(); ++i)
        cout << v1[i] << " ";
    cout << endl;

    vector<int> v2;
    v2.swap(v1);

    cout << "v data:";
    for (size_t i = 0; i < v1.size(); ++i)
        cout << v1[i] << " ";
    cout << endl;

    // 2. 使用迭代器遍历
    cout << "v2 data:";
    auto it = v2.begin();
    while (it != v2.end())
    {
        cout << *it << " ";
        ++it;
    }

    // 3. 使用范围for遍历
    for (auto e : v1)
        cout << e << " ";
    cout << endl;
}

5. vector 迭代器失效问题

• 迭代器是一种通用的容器访问方式，其底层可能用原生指针实现，也可能是对指针进行了封装（设计者想达成其他附加效果）但它的最终效果可以像原生指针一样使用，对于使用者来说其底层细节不重要。 程序员是这样的，只要改bug就行了，而用户要考虑的就很多了。
• 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，类似于野指针
• 解决方法：在使用前，对迭代器重新赋值即可。

5.1 底层空间改变（扩容、缩容）

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;
}

5.2 指定位置元素的删除操作

int main()
{
    vector<int> v = { 1, 2, 3, 4 };
    // 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; //此处报错
    return 0;
}

如上图所示，我们删除元素3所在位置的迭代器，由于挪动覆盖，原先的pos迭代器指向的空间理论上没有发生变化且仍然有效，那迭代器为什么会失效呢？

1. erase可能引发缩容（不同平台做法不同）
2. 为尾删时，尾删后pos越界

=> 基于以上原因，在VS平台下，只要使用了erase，就认为迭代器失效了，会强制检查报错。

• 如下代码的功能是删除vector中所有的偶数，第一组逻辑上可以走通，但是VS强制检查报错，第二组正常运行

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

int main1()
{
    vector<int> v{ 1, 2, 3, 4 };
    auto it = v.begin();
    while (it != v.end())
    {
        if (*it % 2 == 0)
            v.erase(it);
        else
            ++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);// erase返回值为 删除位置的下一个位置的迭代器，手动更新迭代器
		else
			++it;
	}
	return 0;
}

5.3 Linux与VS平台差异

int main1()
{
    vector<int> v{ 1, 2, 3, 4 };
    auto it = v.begin();
    while (it != v.end())
    {
        if (*it % 2 == 0)
            v.erase(it);
        else
            ++it;
    }
    return 0;
}

5.2 中我们说到这一组代码逻辑上正确，但是VS会强制检查报错，那在Linux下是否能够运行呢？答案是可以的，Linux下SGI STL中并不会对迭代器失效进行强制检查，但是我们仍然不建议使用失效的迭代器，这是一种不可控的操作行为，在不同的平台下运行结果是未知的。

三、vector 模拟实现

0. 整体框架

template<class T>
class vector
{
public:
	typedef T* iterator;
	typedef const T* const_iterator;

	//... 各类接口
private:
	iterator _start = nullptr;
	iterator _finish = nullptr; // _finish指向最后一个元素的下一个位置
	iterator _end_of_storage = nullptr; // _end_of_storage 指向当前容量的下一个位置
};

1. 构造 / 析构 / 拷贝构造 / 赋值重载

1.1 迭代器区间初始化

// 类模板的成员函数如果需要使用其他模板，可以再写成
// 函数模板 -> 可以支持任意容器的迭代器区间初始化
template <class InputIterator>
vector(InputIterator first, InputIterator last)
{
	while (first != last)
	{
		push_back(*first);
		++first;
	}
}

1.2 n个val构造

vector(size_t n, const T& val = T())  //注释1
{
	reserve(n);
	for (size_t i = 0; i < n; i++)
	{
		push_back(val);
	}
}

//重载一个int参数类型的n个val构造（STL库中做法）
vector(int n, const T& val = T())
{
	reserve(n);
	for (size_t i = 0; i < n; i++)
	{
		push_back(val);
	}
}

1. 缺省值使用匿名对象（调用对应类型的无参构造，初始化为各自类型的合理初值）

   • 如果传入的是内置类型呢？

     c++对内置类型进行了升级，可以支持内置类型构造

     

2. 模板调用冲突问题

   尝试使用一下，构造10个1 vector<int> v(10, 1);​ 发现编译器报错（ VS2022 ）

   我们明明想使用n个val构造，怎么调用到模板去了？

• 这里涉及到参数匹配的优先级： 完全匹配 > 模板替换后匹配 > 隐式类型转换后匹配
  
  

  
  => ( 模板，模板 )
  
  => ( size_t , int )

  由于n个val构造我们的个数n使用的是size_t类型，传入的int需要经过隐式类型转换才可以转为size_t，根据参数匹配优先级，自然匹配到模板了。

• 如何解决？

  1. 用户手动控制vector<int> v(10u, 1); //使用u后缀标识为无符号整数，则传入size_t类型，完美匹配n个val的参数​
  2. 重载一个int参数类型的n个val构造（STL库中做法）

1.3 析构

~vector()
{
	delete[] _start;
	_start = _finish = _end_of_storage = nullptr;
}

1.4 拷贝构造

//v2(v1)
vector(const vector<T>& v)
{
	reserve(v.capacity());
	for (auto& e : v)
	{
		push_back(e);
	}
}

1.5 赋值重载

// 现代写法 s1 = s2
vector<T>& operator=(vector<T> tmp) //拷贝构造tmp(s2)
{
	swap(tmp); // 交换 tmp和s1
	return *this;
}

2. 增 删 查 改

2.1 迭代器

typedef T* iterator;
typedef const T* const_iterator;

const_iterator begin() const
{
	return _start;
}

const_iterator end() const
{
	return _finish;
}

iterator begin()
{
	return _start;
}

iterator end()
{
	return _finish;
}

2.2 size / capacity / [ ]

size_t capacity()
{
	return _end_of_storage - _start;
}

size_t size()
{
	return _finish - _start;
}

T& operator[](size_t i)
{
	return _start[i];
}

2.3 reserve

void reserve(size_t n)
{
	if (n > capacity())
	{
		size_t oldsize = size(); //记录旧size
		T* tmp = new T[n];
		if (_start)
		{
			//memcpy(tmp, _start, sizeof(T) * size());
			for (size_t i = 0; i < oldsize; i++)
			{
				tmp[i] = _start[i];
			}

			delete[] _start;
		}

		_start = tmp;
		// _finish = _start + size(); 注释1
		_finish = _start + oldsize; 
		_end_of_storage = _start + n;
	}
}

1. size()​ 是通过 _finish - _start得到的，如果先更新了_start，而_finsih并没有更新，相当于用旧_finish - 新_start，结果出错

   • 先更新_finish：

     • 不建议，可读性差，给别人用的话万一调换了顺序就出错了

   • 事先计算并存储oldsize：

     • 本质上要求的是相对位置，size值并未发生改变，可以事先计算

2. memcpy浅拷贝问题

   • memcpy是内存的二进制格式拷贝，将一段内存空间中内容原封不动的拷贝到另外一段内存空间中

   • 如果拷贝的是内置类型的元素，memcpy既高效又不会出错，但如果拷贝的是自定义类型元素，并且自定义类型元素中涉及到资源管理时，就会出错，因为memcpy的拷贝实际是浅拷贝。

   • 解决方法：手动逐一拷贝（深拷贝）

2.4 insert / push_back

iterator insert(iterator pos, const T& x)
{
	//0. 检查参数合法性
	assert(pos >= _start); //至少头插
	assert(pos <= _finish); //至多尾插

	//1. 扩容，更新迭代器
	if (_finish == _end_of_storage)
	{
		size_t len = pos - _start; //指针+-运算，计算pos和_start的相对距离

		size_t newcapacity = capacity() == 0 ? 4 : capacity() * 2;
		reserve(newcapacity);

		pos = _start + len; //更新失效的迭代器pos（内部失效）
	}

	//2. 向后移动数据，留出空间
	iterator end = _finish - 1;
	while (end >= pos)
	{
		*(end + 1) = *end;
		--end;
	}

	//3. 插入，更新数据
	*pos = x;
	++_finish;

	return pos;
}

void push_back(const T& x)
{
	insert(end(), x);
}

思路：

0. 检查
1. 扩容，并更新迭代器
2. 移动腾空间
3. 插入，更新

‍

2.5 erase / pop_back

void erase(iterator pos)
{
	//0. 检查
	assert(pos >= _start);
	assert(pos < _finish);

	//1. 向前移动覆盖，相当于删除
	iterator it = pos + 1;
	while (it != _finish)
	{
		*(it - 1) = *it;
		++it;
	}

	//2. 更新数据
	--_finish;
}

void pop_back()
{
	assert(size() > 0);

	--_finish;
	//erase(end()-1);
}

思路：

0. 检查
1. 移动覆盖
2. 更新

‍

四、OJ中的使用

1. 只出现一次的数字

class Solution {
public:
    int singleNumber(vector<int>& nums) {
        int value = 0;
        for(auto& e : nums)
        {
            value ^= e; //位运算知识
        }

        return value;
    }
};

2. 杨辉三角

class Solution {
public:
    vector<vector<int>> generate(int numRows) {
        //1. 开空间并初始化（动态二维数组）
        vector<vector<int>> vv;
        vv.resize(numRows); //开辟行数
        for(size_t i = 0; i < numRows; i++)
        {
            //每行第一个和最后一个初始化为1,其余初始化为0
            vv[i].resize(i+1, 0);//开辟每一列并初始化
            vv[i][0] = vv[i][vv[i].size() - 1] = 1;
        }

        //2. 遍历二维数组找0
        for(size_t i = 0; i < vv.size(); i++)
        {
            for(size_t j = 0; j < vv[i].size(); j++)
            {
                if(vv[i][j] == 0)
                {
					//为0的部分 = 上一行的对应位 + 上一行对应位的前一位
                    vv[i][j] = vv[i-1][j] + vv[i-1][j-1];
                }
            }
        }
        return vv;
    }
};

2.5 动态二维数组的理解

行数和列数独立存在，且动态变化，不再像C语言中的二维数组那样方方正正。下图一为物理模型图，像C语言中二维数组在内存中其实是由一维数组横向拼接而成，下图二为逻辑模型，符合我们对二维数组的描述和使用逻辑。

​

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总结

本文介绍了vector的常用接口，并对其中重点接口进行了模拟实现，以便读者了解其底层逻辑，有利于更好地使用。
尽管文章修正了多次，但由于水平有限，难免有不足甚至错误之处，敬请各位读者来评论区批评指正。