文章目录
- 前言
- STL之vector基础
- 1. What：什么是 vector？
- 2. Why：为什么使用 vector？
- 3. How：怎么使用vector?
- 3.1 vector的定义
- 演示：
- 输出：
- 3.2 vector iterator 的使用
- 演示：
- 输出：
- 3.3 vector 空间增长问题
- 3.4 vector 增删查改
- 演示：
- 3.5 vector 迭代器失效问题
- 对于vector可能会导致迭代器失效的操作有：
- 4. Where：vector 相关OJ题
- 后记
前言
本篇将学习vector的基础知识
🕺作者： 迷茫的启明星
专栏：《C++初阶》
相关文章：《 leetcode17. 电话号码的字母组合》
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STL之vector基础
1. What：什么是 vector？
《vector的文档介绍》
- vector是表示可变大小数组的序列容器.
- 它就像数组一样采用连续存储空间来存储元素，也就意味着可以使用下标对vector的元素进行访问，和数组一样高效，但是和数组不同的是，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。
- 在vector的使用中，它通过动态分配的方式来存储它的元素，比如说：当有新元素插入时，这个数组可能就要重新分配大小，为了增加存储空间，它的做法是重新分配一个数组，然后再把全部元素移到这个数组，但是这是一个比较“费劲”的任务，因为每次有新增元素时，它都要重新分配大小，所以为了避免这种情况，vector有了自己的空间分配策略。
- **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，但是获得了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, 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
2. Why：为什么使用 vector？
详细来说，为什么使用 vector 有以下几个优点：
- 动态扩展：vector 的容量可以在运行时动态地增加或减少，可以根据实际需求，方便地向容器中添加或移除元素。这种灵活性非常适合管理可变长度的元素序列，特别是当元素数量难以预测或者需要不断变化时。
- 高效的随机访问：vector 中的元素都是存储在连续的内存空间中的，因此可以通过下标或者迭代器直接访问某个特定位置的元素，检索元素的速度非常快。这比起链表等其他容器类型更加高效，并且可以方便地在元素序列中进行排序和查找等操作。
- 安全性：vector 在管理容量的内存时，自动负责申请和释放内存空间，减少了像数组那样的越界访问问题，提高了程序的稳定性和安全性。由于它会在插入数据时判断是否需要重新分配内存，因此不会出现数组越界的错误，大大提高了程序的健壮性。
- 操作丰富：vector 的成员函数以及迭代器等工具，提供了多种操作元素序列的方式，包括排序、查找、插入和删除等操作。它还支持以及其他 STL 容器类型一样的迭代器接口，方便地进行算法实现，并且不需要担心分配和释放内存的问题。
- 兼容性：vector 是 C++ 标准库中的标准容器类型之一，与其他容器类型兼容，并广泛支持各种编译器和平台。可以在不同的环境和项目中轻松应用，为开发者提供了极大的便利。
3. How：怎么使用vector?
3.1 vector的定义
| （constructor）构造函数声明 | 接口功能 |
|---|---|
| vector() | 无参构造 |
| vector（size_type n, const value_type& val = value_type()） | 构造并初始化n个val |
| vector (const vector& x); | 拷贝构造 |
| vector (InputIterator first, InputIterator last); | 使用迭代器进行初始化构造 |
演示：
#include <iostream>
#include <vector>
#include <string>
#include <algorithm>
#include <functional>
using namespace std;
int main()
{
vector<int> v1;
vector<int> v2(10, 1);
cout<<"使用构造并初始化n个val后的v2：";
for(int j=0;j<10;++j)
{
cout<<v2[j];
}
cout<<endl;
cout<<"拷贝构造后的v3：";
vector<int> v3(v2);
for(int j=0;j<10;++j)
{
cout<<v3[j];
}
cout<<endl;
for(int i=0;i<10;++i)
{
//先给v1赋值
v1.push_back(i);
}
cout<<"使用迭代器进行初始化构造后的v4：";
vector<int> v4(v1.begin(),v1.end());
for(int j : v4)
{
cout<<j;
}
cout<<endl;
return 0;
}
输出：
3.2 vector iterator 的使用
| iterator的使用 | 接口说明 |
|---|---|
| begin + end | 获取第一个数据位置的iterator/const_iterator， 获取最后一个数据的下一个位置的iterator/const_iterator |
| rbegin + rend | 获取最后一个数据位置的reverse_iterator，获取第一个数据前一个位置的reverse_iterator |
它们的位置关系就像这样：
演示：
#include <iostream>
#include <vector>
#include <string>
#include <algorithm>
#include <functional>
using namespace std;
int main()
{
vector<int> v1;
v1.push_back(1);
v1.push_back(2);
v1.push_back(3);
v1.push_back(4);
// 下标+[]
cout<<"使用下标访问和更改数据:";
for (size_t i = 0; i < v1.size(); ++i)
{
v1[i]++;
}
for (size_t i = 0; i < v1.size(); ++i)
{
cout << v1[i] << " ";
}
cout << endl;
// 迭代器
cout<<"使用迭代器访问和更改数据:";
vector<int>::iterator it = v1.begin();
while (it != v1.end())
{
(*it)--;
cout << *it << " ";
++it;
}
cout << endl;
//范围for的底层就是迭代器的使用而已
cout<<"范围for的使用:";
for (auto e : v1)
{
cout << e << " ";
}
cout << endl;
return 0;
}
输出：
3.3 vector 空间增长问题
| 相关函数 | 接口功能 |
|---|---|
| size | 获取数据个数 |
| capacity | 获取容量大小 |
| empty | 判断是否为空 |
| resize | 改变vector的size |
| reserve | 改变vector的capacity |
这里我们需要注意的就是
- 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。
我们来测试一下这个问题：
下面的测试环境是clion,它是按照2倍方式扩容
#include <iostream>
#include <vector>
#include <string>
#include <algorithm>
#include <functional>
using namespace std;
int main()
{
size_t sz;
vector<int> v;
//结果2
//v.resize(100);
//结果3
// 提前将容量设置好，可以避免一遍插入一遍扩容
//v.reserve(100);
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';
}
}
}
在这段代码中，空间不够就增容，一旦改变就输出改变后的空间大小
结果1：
结果2：
结果3：
下面的测试环境是vs，它是按照1.5倍方式扩容
结果1：
结果2：
结果3：
这里有一个实用的小技巧：
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
3.4 vector 增删查改
| vector增删查改 | 接口说明 |
|---|---|
| push_back | 尾插 |
| pop_back | 尾删 |
| find | 查找（注意这个是算法模块实现，不是vector的成员接口） |
| insert | 在position前插入val |
| erase | 删除position位置的数据 |
| swap | 交换两个vector的数据空间 |
| operator[] | 像数组一样访问 |
演示：
#include <iostream>
#include <vector>
#include <string>
#include <algorithm>
#include <functional>
using namespace std;
int main()
{
vector<int> v1;
v1.push_back(1);
v1.push_back(2);
v1.push_back(3);
v1.push_back(4);
v1.push_back(300);
cout << "在3前面插入30：";
vector<int>::iterator pos = find(v1.begin(), v1.end(), 3);
if (pos != v1.end())
{
v1.insert(pos, 30);
}
for (auto e : v1)
{
cout << e << " ";
}
cout << endl;
cout << "删除val==300的数：";
pos = find(v1.begin(), v1.end(), 300);
if (pos != v1.end())
{
v1.erase(pos);
}
for (auto e : v1)
{
cout << e << " ";
}
cout << endl;
cout << "交换0 3位置后:";
swap(v1[0], v1[3]);
for (auto e : v1)
{
cout << e << " ";
}
cout << endl;
cout << "数组尾删后：";
v1.pop_back();
for (auto e : v1)
{
cout << e << " ";
}
cout << endl;
return 0;
}
3.5 vector 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可能会导致迭代器失效的操作有：
会引起底层空间改变的操作，都可能是迭代器失效。
比如说：resize、eserve、insert、assign、push_back等。
#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;
}
- 指定位置元素的删除操作–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。
再来看一个问题
以下代码的功能是删除vector中所有的偶数，请你判断一下哪个是正确？为什么？
#include <iostream>
using namespace std;
#include <vector>
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;
}
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;
}
答案揭秘：
第二段代码是正确的。
在第一段代码中，使用了一个 while 循环遍历 vector 的每个元素，当遇到偶数时使用 erase() 函数删除该元素，但是 erase() 函数会使迭代器失效，导致后面的 ++it 操作产生未定义行为，因此会导致程序错误。
而第二段代码使用了一个 while 循环遍历 vector 的每个元素，当遇到偶数时仅仅将其删除，不会使迭代器失效，因为 erase() 函数返回一个指向被删除元素之后元素的新迭代器，因此可以安全地使用 ++it 操作，从而正确地删除 vector 中所有的偶数。
- 与vector类似，string在插入+扩容操作+erase之后，迭代器也会失效
#include <string>
int main()
{
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;
}
}
那么我们应该怎么解决迭代器失效的问题呢？
在使用迭代器前对它重新赋值即可。
4. Where：vector 相关OJ题
- 电话号码的字母组合
class Solution {
char* num[10]={"","","abc","def","ghi","jkl","mno","pqrs","tuv","wxyz"};
public:
void mergeCombin(string digits,int di,vector<string>& res,string ch)
{
if(di==digits.size())
{
res.push_back(ch);
return;
}
int n=digits[di]-'0';
string str=num[n];
for(int i=0;i<str.size();++i)
{
mergeCombin(digits,di+1,res,ch+str[i]);
}
}
vector<string> letterCombinations(string digits) {
vector<string> res;
if(digits.empty())
return res;
string ch;
mergeCombin(digits,0,res,ch);
return res;
}
};
- 杨辉三角
class Solution {
public:
vector<vector<int>> generate(int numRows) {
vector<vector<int>> vv(numRows);
int i,j;
for(i=0;i<numRows;++i)
{
vv[i].resize(i+1,1);
}
for(i=0;i<numRows;++i)
{
for(j=1;j<vv[i].size()-1;++j)
{
vv[i][j]=vv[i-1][j-1]+vv[i-1][j];
}
}
return vv;
}
};
总结：通过上面的练习我们发现vector常用的接口更多是插入和遍历。遍历更喜欢用数组operator[i]的形式访问，因为这样便捷。
后记
感谢大家支持！！！
下篇将讲述vector的实现。
respect！
下篇见！
