C++第六讲：STL--vector的使用及模拟实现
- 1.vector简介
- 2.vector的常见接口介绍
- 2.1constructor -- 构造
- 2.2destructor -- 析构
- 2.3begin、end
- 2.3.1vector和string的区别、vector<string>
- 2.4rbegin、rend
- 2.5cbegin、cend
- 2.6crbegin、crend
- 2.7size、max_size、resize、capacity、empty、reserve
- 2.8shrink_to_fit
- 2.9operator[]、at
- 2.10front、back
- 2.11data
- 2.12assign
- 2.13push_back、pop_back
- 2.14insert、erase
- 2.15swap、clear
- 2.16vector扩容规则
- 3.vector在OJ题中的使用
- 3.1练习1
- 3.2练习2
- 4.vector的模拟实现
- 4.1vector标准库中的源码观察
- 4.2vector的实现
- 4.3vector实现注意事项
- 4.3.1注意事项1
- 4.3.2注意事项2 -- 迭代器失效问题
- 4.3.2.1扩容引起的迭代器失效
- 4.3.2.1.1情况1
- 4.3.2.1.2情况2
- 4.3.2.2删除数据，数据位置移动导致的迭代器失效
- 4.3.3注意事项3 -- 类模板中的函数模板问题
- 4.3.4注意事项4 -- sting中深浅拷贝问题
1.vector简介
vertor是一个真正的容器，底层实现是一个动态开辟的数组：
所以说我们可以将vector简单地理解成：
vector的一些接口的使用和string相同，所以对于那些简单的使用，就一笔带过，本文详细要讲的还是vertor的模拟实现，以及一些其它的科普知识
2.vector的常见接口介绍
尽管不会详细讲述接口的作用，但是还是会讲接口一一列出来
2.1constructor – 构造
构造的使用：
int main()
{
vector<int> first;//使用vector模板实例化一个对象
vector<int> second(4, 100);//4个数据，每个数据为100
vector<int> third(second.begin(), second.end());//迭代器区间初始化
vector<int> forth(second);//拷贝初始化
return 0;
}
这些都是一些简单的构造，要着重处理的是：
使用initializer_list进行初始化：
int main()
{
vector<int> v = { 10, 20, 30, 40 };//使用数组进行初始化
vector<int> v1({ 20, 30, 40 });//和上面的功能是一样的
//使用数组初始化的底层其实是遍历数组，将数组中的元素一个一个地尾插到vector中
//auto il1 = { 1, 2, 3, 4, 5, 6 };
//initializer_list<int> il2 = { 1, 2, 3, 4, 5, 6 };//等价于上面的auto
//int a[] = { 1, 2, 3, 4, 5, 6 };
return 0;
}
2.2destructor – 析构
2.3begin、end
迭代器，使用起来也十分简单：
int main()
{
vector<int> v({ 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9 });
//这表明迭代器的范围应该在vector<int>中，这样就可以更加清楚地理解迭代器了
vector<int>::iterator it = v.begin();
while (it != v.end())
{
cout << *it << " ";
it++;
}
cout << endl;//1 2 3 4 5 6 7 8 9
return 0;
}
既然有了迭代器，那么就可以使用范围for：
int main()
{
vector<int> v({ 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9 });
for (auto e : v)
{
cout << e << " ";
}
cout << endl;//1 2 3 4 5 6 7 8 9
return 0;
}
2.3.1vector和string的区别、vector
下面还有一种使用范围for时需要注意的地方：
int main()
{
//看下面两个有什么区别：
vector<char> v;
string s1;
//1.vector中没有关于字符串的概念，只有尾插和尾删，所以并不能直接插入一个字符串，而string中能
//2.vector中并没有对于字符串特有的操作，比如连接、查找子串、替换子串等
//3.vector中不仅能存储字符数据，还能够针对于其它任何类型的数据，而string是专门处理字符的类
return 0;
}
int main()
{
//但是我们可以这样写：
vector<string> v;
//这样就可以使用针对字符串的操作了：
string s1 = "张三";
v.push_back(s1);
v.push_back("李四");
for (auto e : v)
{
cout << e << " ";
}
cout << endl;
v[0] += 'x';//这里使用的是string中的+=，因为v[0]就是一个string类的对象
v[0] += "apple";
for (auto e : v)
{
cout << e << " ";
}
cout << endl;
//v[0][0]++;//张 -》 峙
//C++中，对于汉字的编码，是通过汉字的后一个字节来将相同读音的汉字排在一起的
v[0][1]++;//张 -》 掌
v[0][1]++;//掌 -》 涨
for (auto e : v)
{
cout << e << " ";
}
cout << endl;
return 0;
}
但是这里会出现问题：
2.4rbegin、rend
反向迭代器
2.5cbegin、cend
const_iterator
2.6crbegin、crend
const_reverse_iterator
2.7size、max_size、resize、capacity、empty、reserve
2.8shrink_to_fit
这个接口是将capacity改变成适合它的size的函数，但是不建议使用，首先，它只是一个请求，并不是强制的，其次，如果实现决定减少容量，可能会造成内存的重新分配，导致所有的迭代器会失效，迭代器的失效在后边会详细阐述
2.9operator[]、at
访问，[]访问越界时会断言报错，at是抛异常
2.10front、back
放回的是头、尾元素的引用
2.11data
vector的实现底层是一个数组，而data函数的作用就是将底层的数组返回
2.12assign
将新内容赋给vector，覆盖原来的旧内容
2.13push_back、pop_back
尾插、尾删元素
2.14insert、erase
不同的是，vector中的insert和erase函数传入的位置只能是迭代器：
int main()
{
vector<int> v = { 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9 };
v.insert(v.begin(), 20);
v.insert(v.begin()+2, 10);//20 1 10 2 3 4 5 6 7 8 9
for (auto e : v)
{
cout << e << " ";
}
cout << endl;
v.erase(v.begin() + 2);//20 1 2 3 4 5 6 7 8 9
for (auto e : v)
{
cout << e << " ";
}
cout << endl;
return 0;
}
2.15swap、clear
clear函数不改变capacity
2.16vector扩容规则
结论：vector中的扩容是按照1.5倍来进行扩容的
//测试代码：
void TestVectorExpand()
{
size_t sz;
vector<int> v;
sz = v.capacity();
cout << "making v 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';
}
}
}
3.vector在OJ题中的使用
3.1练习1
链接: 只出现一次的数字
这道题实现十分简单，只需要异或即可，重点是观察vector的使用：
class Solution {
public:
int singleNumber(vector<int>& nums) {
int sum = 0;
for(auto e : nums)
{
sum ^= e;
}
return sum;
}
};
3.2练习2
链接: 杨辉三角OJ
这一题就相当不一样了，我们通过画图来解释一下：
所以这里我们就看出了C++和C语言的不同，下面我们用代码来实现一下杨辉三角，实现起来也是比较轻松的：
class Solution {
public:
vector<vector<int>> generate(int numRows) {
vector<vector<int>> vv(numRows);
for(int i = 0; i<numRows; i++)
{
vv[i].resize(i+1, 1);//使用resize能够在开辟空间的同时进行初始化，所以说更好用
}
for(int i = 2; i<numRows; i++)
{
for(int j = 1; j<vv[i].size()-1; j++)
{
vv[i][j] = vv[i-1][j] + vv[i-1][j-1];
}
}
return vv;
}
};
4.vector的模拟实现
4.1vector标准库中的源码观察
以后我们对于文档的查看会相当频繁，也会十分重要，所以我们现在看一下原码：
源码可能有几百行，也有可能会有几千行，所以当我们看源码时，不能够逐字逐句地去看，这样效率很低，我们首先要做的就是观察这些源码的大致框架,这里我们只看一个stl函数：push_back，所以我们只拿这一个函数举例：
通过上述分析，我们可以了解该函数的使用了，但是也体会到了源文件的恐怖！了解了上述的源文件之后，我们也可以看着尝试写出自己的vector：
4.2vector的实现
因为对于vector实现时的注意事项在下边会一一点出来，所以这里直接放代码：
//因为模板函数的声明和定义分离可能会造成一些问题，所以我们只使用两个文件：.h和test.cpp
namespace Mine
{
template<class T>
class vector
{
public:
typedef T* iterator;
typedef const T* const_iterator;
//无参构造函数
vector()
:_start(nullptr)
, _finish(nullptr)
, _endofstorage(nullptr)
{}
//析构函数
~vector()
{
if (_start)
{
delete[] _start;
}
_start = _finish = _endofstorage = nullptr;
}
//size、capacity的返回
size_t size() const
{
return _finish - _start;
}
size_t capacity() const
{
return _endofstorage - _start;
}
尾插
//void push_back(const T& x)
//{
// //既然要插入，那么就要检查空间的大小是否充足
// if (_finish == _endofstorage)
// {
// reserve(capacity() == 0 ? 4 : capacity() * 2);
// }
// *_finish = x;
// _finish++;
//}
//reserve -- 空间开辟
void reserve(size_t n)
{
//reserve不一定只在push_back函数中使用，还可能会直接使用
//所以这里要比较n和空间的大小
if (n > capacity())
{
//为了改变tmp的指向，我们需要知道原来start和tmp差的距离为多少
size_t oldSize = size();
//开辟空间的逻辑为：先创建一块空间，再将原来空间的内容复制过来
T* tmp = new T[n];
if (_start)
{
//memcpy(tmp, _start, sizeof(T) * size());
for (int i = 0; i < oldSize; i++)
{
tmp[i] = _start[i];
}
delete[] _start;
}
_start = tmp;
_finish = _start + oldSize;
_endofstorage = _start + n;
}
}
//访问操作符
T& operator[](size_t pos)
{
assert(pos < size());
return _start[pos];
}
//迭代器实现
iterator begin()
{
return _start;
}
iterator end()
{
return _finish;
}
const_iterator begin() const
{
return _start;
}
const_iterator end() const
{
return _finish;
}
//判空
bool empty()
{
return _endofstorage == _finish;
}
//删除最后一个元素
void pop_back()
{
assert(!empty);
_finish--;
}
//尾插
void push_back(const T& x)
{
既然要插入，那么就要检查空间的大小是否充足
//if (_finish == _endofstorage)
//{
// reserve(capacity() == 0 ? 4 : capacity() * 2);
//}
//*_finish = x;
//_finish++;
insert(_finish, x);
}
//插入函数
iterator insert(iterator pos, const T& x)
{
assert(pos >= _start && pos <= _finish);
//对于插入数据，仍然需要判断空间的大小
if (_finish == _endofstorage)
{
//和上面的处理相似，需要先知道pos位置到开始位置的距离，然后再修正pos的位置即可
int len = pos - _start;
reserve(capacity() == 0 ? 4 : capacity() * 2);
pos = _start + len;
}
//将pos之后的数据向后移动一位
iterator i = _finish -1;
while (i >= pos)
{
*(i + 1) = *i;
i--;
}
*pos = x;
_finish++;
return pos;
}
//erase -- 删除函数的实现
iterator erase(iterator pos)
{
assert(pos >= _start);
assert(pos < _finish);
//要删除pos位置的数据，我们将pos位置之后的数据向前移动就行了
iterator it = pos + 1;
while (it < _finish)
{
*(it - 1) = *it;
it++;
}
_finish--;
return pos;
}
//resize -- 重新分配空间
void resize(T& n, T& val = T())//因为传入的不一定是什么类型，所以T()就表示调用T类型对象的构造函数
//默认构造其实是没有默认构造的，而有了模板之后，C++对默认构造进行了升级，那么就可以使用默认构造了
{
if (n <= size())
{
//当要缩容时，直接改变_finish的指向即可
_finish = _start + n;
}
else
{
//需要扩容时，扩容，而且将扩容的空间进行初始化
reserve(n);
while (_finish < _start + n)
{
*_finish = val;
_finish++;
}
}
}
//拷贝构造函数
vector(const vector<T>& v)
{
reserve(v.capacity());
//这里我们可以按照传统的写法：开空间，拷贝，也可以这样：
for (auto& e : v)
{
push_back(e);
}
}
//交换函数
void swap(vector<T>& v)
{
swap(_start, v._start);
swap(_finish, v._finish);
swap(_endofstorage, v._endofstorage);
}
//赋值运算符重载
vector<T>& operator= (vector<T> v)
{
swap(*this, v);
return *this;
}
//迭代区间构造
template <class InputIterator>
//写成函数模板的优点为：扩大了传入参数的范围，可以是int形，甚至可以是string形
vector(InputIterator first, InputIterator last)
{
while (first != last)
{
push_back(*first);
first++;
}
}
//n个val进行的构造
vector(size_t n, const T& val = T())
{
//先写reserve是为了避免一直开辟空间的问题
reserve(n);
for (size_t i = 0; i < n; i++)
{
push_back(val);
}
}
vector(int n, const T& val = T())
{
reserve(n);
for (int i = 0; i < n; i++)
{
push_back(val);
}
}
//使用数组进行初始化
vector(initializer_list<T> il)
{
reserve(il.size());
for (auto& e : il)
{
push_back(e);
}
}
private:
iterator _start;
iterator _finish;
iterator _endofstorage;
};
}
4.3vector实现注意事项
4.3.1注意事项1
4.3.2注意事项2 – 迭代器失效问题
4.3.2.1扩容引起的迭代器失效
这次引起的迭代器失效本质是野指针问题，但是迭代器并不就是指针，VS所实现的迭代器就不仅仅是一个指针，而是一个复杂的类，其中除了对于指针的封装，而且还增加了对于迭代器的一些检查，我们可以通过指令来看到：
4.3.2.1.1情况1
4.3.2.1.2情况2
在vector类和string类的标准库实现中，并没有find接口的实现，但是，在标准库中，有find函数，所以我们可以直接使用标准库中的find函数
4.3.2.2删除数据，数据位置移动导致的迭代器失效
4.3.3注意事项3 – 类模板中的函数模板问题
模板类的成员函数，也可以时函数模板：
//迭代区间构造
template <class InputIterator>
//写成函数模板的优点为：扩大了传入参数的范围，可以是int形，甚至可以是string形
vector(InputIterator first, InputIterator last)
{
while (first != last)
{
push_back(*first);
first++;
}
}
//我们可以这样进行使用：
int main()
{
Mine::vector<int> v1;
v1.push_back(1);
v1.push_back(2);
v1.push_back(3);
v1.push_back(4);
v1.push_back(5);
for (auto e : v1)
{
cout << e << " ";
}
cout << endl;
//1.可以使用vector的迭代区间进行构造
vector<int> v2(v1.begin(), v1.end());
for (auto e : v2)
{
cout << e << " ";
}
cout << endl;
//2.可以使用string的迭代区间按进行构造
string s1("hello");
vector<int> v3(s1.begin(), s1.end());
for (auto e : v3)
{
cout << e << " ";
}
cout << endl;
return 0;
}
vector中还有一个构造：n个val进行的构造：
//n个val进行的构造
vector(size_t n, const T& val = T())
{
//先写reserve是为了避免一直开辟空间的问题
reserve(n);
fot(size_t i = 0; i < n; i++)
{
push_back(val);
}
}
但是当我们这样写时，会发生错误：
int main()
{
Mine::vector<int> v1;
v1.push_back(1);
v1.push_back(2);
v1.push_back(3);
v1.push_back(4);
v1.push_back(5);
for (auto e : v1)
{
cout << e << " ";
}
cout << endl;
Mine::vector<int> v2(10, 1);//err
//vector<double> v2(10, 1.1);
for (auto e : v2)
{
cout << e << " ";
}
cout << endl;
return 0;
}
因为Mine::vector v2(10, 1);调用的是vector(InputIterator first, InputIterator last)函数，该函数的参数更加匹配，所以我们要再创建一个int类型的构造来解决这个问题：
//n个val进行的构造
vector(size_t n, const T& val = T())
{
//先写reserve是为了避免一直开辟空间的问题
reserve(n);
for (size_t i = 0; i < n; i++)
{
push_back(val);
}
}
vector(int n, const T& val = T())
{
reserve(n);
for (int i = 0; i < n; i++)
{
push_back(val);
}
}
4.3.4注意事项4 – sting中深浅拷贝问题
