【C++】vector的介绍及使用

news2024/10/7 14:27:13

目录

  • 一、vector的介绍
  • 二、vector的常用接口
    • 2.1 vector的定义
    • 2.2 vector iterator的使用
    • 2.3 vector 空间增长问题
    • 2.4 vector 增删查改
      • 2.4.1.尾插和尾删
      • 2.4.2.任意位置插入和删除以及查找
      • 2.4.3.vector 的交换与遍历
    • 2.5 vector 迭代器失效问题

一、vector的介绍

  1. vector是表示可变大小数组的序列容器。
  2. 和数组一样，vector也是采用连续存储空间来存储元素。也就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。但是它又不像数组，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. vector的本质是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。
  4. 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。
  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. 与其他动态序列容器相比（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。

二、vector的常用接口

2.1 vector的定义

构造函数声明接口说明
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 (InputIterator first, InputIterator last);使用迭代器进行初始化构造
vector (const vector& x);拷贝构造

代码演示，如下：

int test1()
{
    vector<int> v1;                              
    vector<int> v2(4, 100);                      
    vector<int> v3(v2.begin(), v2.end()); 
    vector<int> v4(v3);
    for (auto e : v4) //v2、v3
	{
		cout << e << " ";//结果：100 100 100 100
	}
	cout << endl;                     

    // 迭代器构造函数也可以从数组中构造：
    int arr[] = { 16,2,77,29 };
	vector<int> v5(arr, arr + sizeof(arr) / sizeof(int));
	vector<int>::iterator it = v5.begin(); 
	while (it != v5.end())
	{
		cout << *it << ' ';//结果：16 2 77 29
		++it;
	}	
	cout << endl;

    return 0;
}

2.2 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

在这里插入图片描述
代码演示，如下：

void PrintVector(const vector<int>& v)
{
	// const对象使用const迭代器进行遍历打印
	vector<int>::const_iterator it = v.begin();
	while (it != v.end())
	{
		cout << *it << " ";//结果：2 4 6 8
		++it;
	}
	cout << endl;
}
void test2()
{
	// 使用push_back插入4个数据
	vector<int> v;
	v.push_back(1);
	v.push_back(2);
	v.push_back(3);
	v.push_back(4);

	// 使用迭代器进行遍历打印
	vector<int>::iterator it = v.begin();
	while (it != v.end())
	{
		cout << *it << " ";//结果：1 2 3 4
		++it;
	}
	cout << endl;

	// 使用迭代器进行修改
	it = v.begin();
	while (it != v.end())
	{
		*it *= 2;
		++it;
	}

	// 使用反向迭代器进行遍历再打印
	// vector<int>::reverse_iterator rit = v.rbegin();
	auto rit = v.rbegin();
	while (rit != v.rend())
	{
		cout << *rit << " ";//结果：8 6 4 2
		++rit;
	}
	cout << endl;

	PrintVector(v);
}

2.3 vector 空间增长问题

容量空间接口说明
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
  • 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。
  • 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。

reisze(size_t n, const T& data = T())；

将有效元素个数设置为n个，如果增多时，增多的元素使用data进行填充
注意：resize在增多元素个数时可能会扩容
代码演示，如下：

void test3()
{
	vector<int> v;
	for (int i = 1; i < 10; i++)
		v.push_back(i);

	v.resize(5);
	v.resize(8, 100);
	v.resize(12);

	for (size_t i = 0; i < v.size(); i++)
		cout << v[i] << ' ';//结果：1 2 3 4 5 100 100 100 0 0 0 0
	cout << endl;
}

测试vector的默认扩容机制：

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 << endl;
		}
	}
}

vs下的运行结果：
在这里插入图片描述
g++下的运行结果：
在这里插入图片描述
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。
代码演示，如下：

void TestVectorExpandOP()
{
	vector<int> v;
	size_t sz = v.capacity();
	v.reserve(100); // 提前将容量设置好，可以避免一边插入一边扩容
	cout << "making bar grow:\n";
	for (int i = 0; i < 100; ++i)
	{
		v.push_back(i);
		if (sz != v.capacity())
		{
			sz = v.capacity();
			cout << "capacity changed: " << sz << endl;//结果：capacity changed: 100
		}
	}
}

2.4 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之前插入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

2.4.1.尾插和尾删

代码演示：

void test4()
{
	vector<int> v;
	v.push_back(1);
	v.push_back(2);
	v.push_back(3);
	v.push_back(4);

	auto it = v.begin();
	while (it != v.end())
	{
		cout << *it << " ";//结果：1 2 3 4
		++it;
	}
	cout << endl;

	v.pop_back();
	v.pop_back();

	it = v.begin();
	while (it != v.end())
	{
		cout << *it << " ";//结果：1 2
		++it;
	}
	cout << endl;
}

2.4.2.任意位置插入和删除以及查找

注意：find不是vector自身提供的方法，是STL提供的算法
代码演示：

void TestVector5()
{
	void test5()
{
	// 使用列表方式初始化，C++11新语法
	vector<int> v{ 1, 2, 3, 4 };

	// 在指定位置前插入值为val的元素，比如：3之前插入30,如果没有则不插入
	// 1. 先使用find查找3所在位置
	// 注意：vector没有提供find方法，如果要查找只能使用STL提供的全局find
	auto pos = find(v.begin(), v.end(), 3);
	if (pos != v.end())
	{
		// 2. 在pos位置之前插入30
		v.insert(pos, 30);
	}

	vector<int>::iterator it = v.begin();
	while (it != v.end())
	{
		cout << *it << " ";//结果：1 2 30 3 4
		++it;
	}
	cout << endl;

	pos = find(v.begin(), v.end(), 3);
	// 删除pos位置的数据
	v.erase(pos);

	it = v.begin();
	while (it != v.end()) {
		cout << *it << " ";//结果：1 2 30 4
		++it;
	}
	cout << endl;
}

2.4.3.vector 的交换与遍历

代码演示：

void test6()
{
	vector<int> v{ 1, 2, 3, 4 };

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

	// 1. 使用for+[]小标方式遍历
	for (size_t i = 0; i < v.size(); ++i)
		cout << v[i] << " ";//结果：10 2 3 4
	cout << endl;

	vector<int> swapv;
	swapv.swap(v);
	cout << "v data:";
	for (size_t i = 0; i < v.size(); ++i)
		cout << v[i] << " ";//结果：v data:
	cout << endl;

	// 2. 使用迭代器遍历
	cout << "swapv data:";
	auto it = swapv.begin();
	while (it != swapv.end())
	{
		cout << *it << " ";//结果：swapv data:10 2 3 4
		++it;
	}
	cout << endl;

	// 3. 使用范围for遍历
	for (auto x : swapv)
		cout << x << " ";//结果：10 2 3 4
	cout << endl;
}

2.5 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可能会导致其迭代器失效的操作有：

  1. 会引起其底层空间改变的操作，都有可能是迭代器失效，比如：resize、reserve、insert、assign、push_back等。
    测试代码，如下：
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);

	while (it != v.end())
	{
		cout << *it << " ";
		++it;
	}
	cout << endl;
	return 0;
}

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。

  1. 指定位置元素的删除操作–erase
    测试代码，如下：
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。

以下代码的功能是删除vector中所有的偶数：

int main()
{
	vector<int> v;
	v.push_back(1);
	v.push_back(2);
	v.push_back(3);
	v.push_back(4);
	v.push_back(5);
	for (auto e : v)
	{
		cout << e << " ";
	}
	cout << endl;
	std::vector<int>::iterator it = v.begin();
	while (it != v.end())
	{
		if (*it % 2 == 0)
		{
			v.erase(it);
		}	
	}
	for (auto e : v)
	{
		cout << e << " ";
	}
	cout << endl;
	return 0;
}

运行结果：
在这里插入图片描述
并没有删除偶数，如何解决呢？
用返回值，如下：

int main()
{
	vector<int> v;
	v.push_back(1);
	v.push_back(2);
	v.push_back(3);
	v.push_back(4);
	v.push_back(5);
	for (auto e : v)
	{
		cout << e << " ";
	}
	cout << endl;
	std::vector<int>::iterator it = v.begin();
	while (it != v.end())
	{
		if (*it % 2 == 0)
		{
			it = v.erase(it);
		}
		else
		{
			++it;
		}
	}
	for (auto e : v)
	{
		cout << e << " ";
	}
	cout << endl;
	return 0;
}

运行结果：
在这里插入图片描述

  1. 与vector类似，string在插入+扩容操作+erase之后，迭代器也会失效
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;
	}
}

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