文章目录
-
vector的介绍及使用
-
vector深度剖析及模拟实现
-
动态二维数组理解
一、vector的介绍及使用
1.vector的介绍
- 1. vector是表示可变大小数组的序列容器。
- 2. 就像数组一样，vector也采用的连续存储空间来存储元素。也就是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，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.vector的使用
vector的构造函数
default (1) fill (2) range (3) 使用迭代器进行初始化构造
copy (4) 拷贝构造
#include <iostream>
#include <vector>
int main()
{
std::vector<int> v1;
std::vector<int>v2(20, 2);
std::vector<int> v3(v2.begin(), v2.end());
std::vector<int> v4(v3);
return 0;
}
vector iterator 的使用
begin 返回指向第一个元素的迭代器
end 返回指向最后一个元素的迭代器
rbegin 序列容器的反向开头的反向迭代器。
rend 将反向迭代器返回到反向端（公共成员函数）
cbegin 将const_iterator返回到开头（公共成员函数）
cend 返回const_iterator以结束（公共成员函数）
crbegin 将const_reverse_iterator返回到反向开头（公共成员函数）
crend 将const_reverse_iterator返回到反向端（公共成员函数）
#include <iostream>
#include <vector>
int main()
{
std::vector<int> v;
v.push_back(1);
v.push_back(2);
v.push_back(3);
v.push_back(4);
for (int i = 0; i < v.size(); i++) std::cout << v[i] << " ";
std::cout << std::endl;
for (std::vector<int>::iterator it = v.begin(); it != v.end(); it++) std::cout << *it << " ";
std::cout << std::endl;
for (std::vector<int>::reverse_iterator it = v.rbegin(); it != v.rend(); it++) std::cout << *it << " ";
std:: cout << std::endl;
for (auto x : v) std::cout << x << " ";
return 0;
}
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resi 改变vector的sizereserve 改变vector的capacity
resize函数：开空间并进行初始化
#include <iostream>
#include <vector>
int main()
{
std::vector<int> v;
// set some initial content:
for (int i = 1; i < 10; i++)
v.push_back(i);
v.resize(5);
v.resize(8, 100);
v.resize(12);
std::cout << "v contains:";
for (size_t i = 0; i < v.size(); i++)
std::cout << ' ' << v[i];
std::cout << '\n';
return 0;
}
reserve函数：只开空间不做其他操作
#include <iostream>
#include <vector>
int main()
{
std::vector<int> v;
size_t sz = 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
std::cout << "making bar grow:\n";
for (int i = 0; i < 100; ++i)
{
v.push_back(i);
if (sz != v.capacity())
{
sz = v.capacity();
std::cout << "capacity changed: " << sz << '\n';
}
}
return 0;
}
- 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。
内存扩容机制在vs下
#include <iostream>
#include <vector>
// 测试vector的默认扩容机制
void TestVectorExpand()
{
size_t sz;
std::vector<int> v;
sz = v.capacity();
std::cout << "making v grow:\n";
for (int i = 0; i < 100; ++i)
{
v.push_back(i);
if (sz != v.capacity())
{
sz = v.capacity();
std::cout << "capacity changed: " << sz << '\n';
}
}
}
int main()
{
TestVectorExpand();
return 0;
}
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valerase 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back 返回容器中最后一个元素的引用front 返回容器中第一个元素的引用
#include <iostream>
#include <vector>
// 尾插和尾删：push_back/pop_back
void TestVector4()
{
std::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())
{
std::cout << *it << " ";
++it;
}
std::cout << std::endl;
v.pop_back();
v.pop_back();
it = v.begin();
while (it != v.end())
{
std::cout << *it << " ";
++it;
}
std::cout << std::endl;
}
// 任意位置插入：insert和erase，以及查找find
// 注意find不是vector自身提供的方法，是STL提供的算法
void TestVector5()
{
// 使用列表方式初始化，C++11新语法
std::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);
}
std::vector<int>::iterator it = v.begin();
while (it != v.end())
{
std::cout << *it << " ";
++it;
}
std::cout << std::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()) {
std::cout << *it << " ";
++it;
}
std::cout << std::endl;
}
// operator[]+index 和 C++11中vector的新式for+auto的遍历
// vector使用这两种遍历方式是比较便捷的。
void TestVector6()
{
std::vector<int> v{ 1, 2, 3, 4 };
// 通过[]读写第0个位置。
v[0] = 10;
std::cout << v[0] << std::endl;
// 1. 使用for+[]小标方式遍历
for (size_t i = 0; i < v.size(); ++i)
std::cout << v[i] << " ";
std::cout << std::endl;
std::vector<int> swapv;
swapv.swap(v);
std::cout << "v data:";
for (size_t i = 0; i < v.size(); ++i)
std::cout << v[i] << " ";
std::cout << std::endl;
// 2. 使用迭代器遍历
std::cout << "swapv data:";
auto it = swapv.begin();
while (it != swapv.end())
{
std::cout << *it << " ";
++it;
}
// 3. 使用范围for遍历
for (auto x : v)
std::cout << x << " ";
std::cout << std::endl;
}
int main()
{
TestVector4();
TestVector5();
TestVector6();
return 0;
}
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。
#include <iostream>
#include <vector>
int main()
{
std::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。
*/
it = v.begin();//必须进行重新复制不然程序崩溃
while (it != v.end())
{
std::cout << *it << " ";
++it;
}
std::cout << std::endl;
return 0;
}
2.指定位置进行插入操作--insert
#include<iostream>
#include<vector>
int main()
{
std::vector<int> v;
v.push_back(1);
v.push_back(2);
v.push_back(3);
std::vector<int>::iterator pos = find(v.begin(), v.end(), 2);
if (pos != v.end()) {
//如果此时在pos位置继续插入的话需要将此时的pos位置更新因为插入了20之后正好vector进行了扩容操作
pos=v.insert(pos,20);
}
v.insert(pos, 50);
//std::cout << *pos << std::endl;
//*pos = 200;
for (auto x : v)std::cout << x << " ";
return 0;
}
3.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。
以下代码的功能是删除vector中所有的偶数，请问那个代码是正确的，为什么？
#include <iostream>
#include <vector>
//第一份代码：
//int main()
//{
// std::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;
//}
//第二份代码
int main()
{
std::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;
}
二、vector深度剖析及模拟实现
1.vector的模拟实现
vector的结构
namespace Vector
{
template<class T>
class vector
{
public:
typedef T* iterator;
typedef const T* const_iterator;
iterator begin() { return _start; }
iterator end() { return _finish; }
const_iterator begin() const { return _start; }
const_iterator end() const { return _finish; }
private:
iterator _start;
iterator _finish;
iterator _end_of_storage;
public:
/*******************************************************/
// 默认成员函数
vector(); // 无参构造函数
template<class InputIterator>
vector(InputIterator first, InputIterator last); // 使用迭代器初始化构造
vector(const vector<T>& v); // 拷贝构造（深拷贝）
void swap(vector<T>& v); // 交换两个容器的内容
vector<T>& operator=(vector<T> v); // 赋值运算符重载（深拷贝）
~vector();
/*******************************************************/
// 容量操作
size_t size() const { return _finish - _start; } // 有效元素个数
size_t capacity() const { return _end_of_storage - _start; } // 容量大小
bool empty() const { return size(); } // 判空
void reserve(size_t n); // 调整容器的容量大小（capacity）
void resize(size_t n, const T& val = T()); // 调整容器的有效元素大小（size）
/*******************************************************/
// 访问操作，[]运算符重载
T& operator[](const size_t pos);
T& operator[](const size_t pos) const;
/*******************************************************/
// 修改操作
iterator insert(iterator pos, const T& val = T()); // 在pos迭代器位置前插入元素
iterator erase(iterator pos); // 删除pos迭代器位置的元素
void push_back(const T& x); // 尾插
void pop_back(); // 尾删
};
}vector的迭代器
namespace Vector
{
template<class T>
class vector
{
public:
typedef T* iterator;
typedef const T* const_iterator;
iterator begin() { return _start; }
iterator end() { return _finish; }
const_iterator begin() const { return _start; }
const_iterator end() const { return _finish; }
private:
iterator _start; // 指向数组的开始
iterator _finish; // 指向最后一个有效元素的下一个位置
iterator _end_of_storage; // 指向空间结束的下一个位置
};
}vector的默认成员函数
构造函数
vector()
:_start(nullptr)
, _finish(nullptr)
, _end_of_storage(nullptr)
{}
template <class InputIterator>
vector(InputIterator first, InputIterator last)
:_start(nullptr)
, _finish(nullptr)
, _end_of_storage(nullptr)
{
while (first != last)
{
push_back(*first);
++first;
}
}拷贝构造函数
//传统写法1
// 拷贝构造（深拷贝）
// v2(v1)
vector(const vector<T>& v)
:_start(new T[v.capacity()])
, _finish(_start + v.size())
, _end_of_storage(_start + v.capacity())
{
memcpy(_start, v._start, sizeof(T) * v.size()); // 拷贝元素
}
// 拷贝构造（深拷贝），传统写法2
// v2(v1)
vector(const vector<T>& v)
:_start(nullptr)
, _finish(nullptr)
, _end_of_storage(nullptr)
{
reserve(v.capacity()); // 调整新容器容量大小（这样的好处是：一次性把空间开好，效率高）
for (const auto& e : v) // 尾插元素到新容器中（复用push_back函数）
push_back(e);
}
//---------------------------------------------------------------------------------
//现代写法
// 拷贝构造（深拷贝）
// v2(v1)
vector(const vector<T>& v)
:_start(nullptr) // 当前对象是一个正在构造的对象，成员变量还未初始化，是一个随机值，所以先置空
, _finish(nullptr)
, _end_of_storage(nullptr)
{
vector<T> tmp(v.begin(), v.end()); // 拿v的内容，调用构造函数构造一个临时对象tmp
this->swap(tmp); // 将临时对象tmp和当前对象的成员变量分别进行交换
}赋值运算符重载
//传统写法
// 赋值运算符重载（深拷贝）
// v2 = v1
vector<T>& operator=(const vector<T>& v)
{
if (this != &v) // 防止自己给自己赋值
{
// 释放原空间
delete[] _start;
_start = _finish = _end_of_storage = nullptr;
// 插入元素
reserve(v.capacity()); // 调整容量大小
for (const auto& e : v)
push_back(e);
_finish = _start + v.size();
_end_of_storage = _start + v.capacity();
}
return *this;
}
//---------------------------------------------------------
//现代写法
// 赋值运算符重载（深拷贝）
// v2 = v1
vector<T>& operator=(vector<T> v) // 通过传值传参，拷贝构造出临时对象
{
this->swap(v); // 交换临时对象和当前对象的内容
return *this; // 返回当前对象
}swap函数
//交换两个容器的内容
//swap函数方便实现拷贝构造和赋值重载的现代写法
// v1.swap(v2)
void swap(vector<T>& v)
{
// 函数名冲突，指定去调用全局域里面的std::swap
std::swap(_start, v._start);
std::swap(_finish, v._finish);
std::swap(_end_of_storage, v._end_of_storage);
}析构函数
~vector()
{
delete[] _start;
_start = _finish = _end_of_storage = nullptr;
}vector的容量操作
size()、capacity()、empty()函数
size_t size() const // 有效元素个数
{
return _finish - _start;
}
size_t capacity() const // 容量大小
{
return _end_of_storage - _start;
}
bool empty() const // 判空
{
return size();
}reserve()函数
// 调整容器的容量大小（capacity）
void reserve(size_t n)
{
if (n > capacity()) // 如果n大于当前 capacity 大小
{
size_t oldSize = size(); // 提前保存下旧空间size大小，便于后面更新_finish
T* tmp = new T[n]; // 开辟并初始化新空间，n个T类型的对象
if (_start)
{
// void * memcpy ( void * destination, const void * source, size_t num );
memcpy(tmp, _start, sizeof(T) * oldSize); // 旧空间元素拷贝到新空间（浅拷贝）
delete[] _start; // 释放旧空间
}
_start = tmp; // 指向新空间
_finish = _start + oldSize; // 更新有效元素长度
_end_of_storage = _start + n; // 更新容量
}
}vector的访问操作
// []运算符重载，普通版本和 const 版本
T& operator[](const size_t pos)
{
assert(pos >= 0 && pos < size()); // 检查越界
return _start[pos];
}
T& operator[](const size_t pos) const
{
assert(pos >= 0 && pos < size()); // 检查越界
return _start[pos];
}vector的修改操作
insert函数
iterator insert(iterator pos, const T& val = T())
{
assert(pos >= _start && pos <= _finish);
size_t len = pos - _start; // 记录下pos相对_start的长度
if (_finish == _end_of_storage) // 先检查是否需要扩容
{
size_t newcapacity = capacity() == 0 ? 4 : 2 * capacity();
reserve(newcapacity);
// 注意：扩容后，pos还指向旧空间，pos位置迭代器已失效，需要重置pos
pos = _start + len; // 解决迭代器失效问题⭐
}
// 往后挪动元素
for (iterator end = _finish; end > pos; end--)
{
*end = *(end - 1);
}
*pos = val; // 在pos迭代器位置处插入元素
_finish++; // 有效元素长度+1
return pos; // 返回指向第一个新插入元素的迭代器⭐
// pos是传值传参，形参改变不会影响实参，所以更需要返回pos
}erase函数
iterator erase(iterator pos)
{
assert(pos >= _start && pos < _finish);
// 往前挪动元素
for (iterator it = pos + 1; it < _finish; it++)
{
*(it - 1) = *it;
}
_finish--; // 有效元素长度-1
return pos; // 返回指向被删除元素下一个位置的迭代器⭐
}push_back()函数
void push_back(const T& x)
{
//方法一
if (_finish == _end_of_storage) // 先检查是否需要增容
{
size_t newcapacity = capacity() == 0 ? 4 : 2 * capacity();
reserve(newcapacity);
}
*_finish = x; // 尾插元素
_finish++;
//方法二：复用 insert 函数的代码
insert(_finish, x);
}pop_back()函数
void pop_back()
{
//方法一
assert(!empty());
_finish--;
//方法二：复用 erase 函数的代码
erase(--end());
}2.vector的深浅拷贝问题
设模拟实现的vector中的reserve接口中，使用memcpy进行的拷贝，以下代码会发生什么问题？
#include <iostream>
#include <vector>
void test()
{
// memcpy值拷贝的问题
Vector::vector<Vector::string> v;
v.push_back("1111");
v.push_back("2222");
v.push_back("3333");
for (auto& e : v)
std::cout << e << std::endl;
}
//运行结果：程序崩溃
int main()
{
test();
return 0;
}问题分析：1. 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2. 如果拷贝的是自定义类型的元素，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。
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。
三、动态二维数组理解
以杨辉三角为例
//#include "vector.h"
//
//int main()
//{
// return 0;
//}
#include <iostream>
#include <vector>
class Solution
{
public:
std::vector<std::vector<int>> generate(int n)
{
// 开辟和初始化杨辉三角存储空间
std::vector<std::vector<int>> vv(n);
for (size_t i = 0; i < vv.size(); i++)
{
vv[i].resize(i + 1, 0);
// 每一行第一个元素和最后一个元素初始化为1
vv[i][0] = 1;
vv[i][vv[i].size() - 1] = 1;
}
// 填充杨辉三角
for (size_t i = 2; i < vv.size(); i++) // 从第3行开始
for (size_t j = 1; j < vv[i].size() - 1; j++) // 从第2列开始
vv[i][j] = vv[i - 1][j - 1] + vv[i - 1][j];
return vv;
}
};
int main()
{
std::vector<std::vector<int>> res=Solution().generate(5);
for (auto first : res) {
for (auto second : first)
std::cout << second << " ";
std::cout << std::endl;
}
return 0;
}
