【C++驾轻就熟】vector深入了解及模拟实现

vector是表示可变大小数组的序列容器。
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。
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。
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，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。
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。

二、标准库中的vector

2.1vector常见的构造函数

2.1.1无参构造函数

#include<vector>

int main()
{
vector<int> v;

return 0;
}

2.1.2 有参构造函数（构造并初始化n个val）

vector (size_type n, const value_type& val = value_type())

2.1.3有参构造函数（使用迭代器进行初始化构造）

template <class InputIterator>
     vector (InputIterator first, InputIterator last);

2.1.4 拷贝构造函数

vector (const vector& x);

2.2 vector iterator 的使用

2.2.1 begin()函数 + end()函数

int main()
{
vector<int> v;
v.push_back(5);
v.push_back(2);
v.push_back(0);
v.push_back(1);
v.push_back(3);
v.push_back(1);
v.push_back(4);

vector<int>::iterator it = v.begin();
while (it != v.end())
{
cout << *it << ' ';
++it;
}
cout << endl;

return 0;
}

2.2.2 rbegin()函数 + rend()函数

int main()
{
vector<int> v;
v.push_back(5);
v.push_back(2);
v.push_back(0);
v.push_back(1);
v.push_back(3);
v.push_back(1);
v.push_back(4);

vector<int>::reverse_iterator it = v.rbegin();
while (it != v.rend())
{
cout << *it << ' ';
++it;
}
cout << endl;

return 0;
}

2.3 vector对象的容量操作

2.3.1 size()函数

int main()
{
vector<int> v;
v.push_back(5);
v.push_back(2);
v.push_back(0);
v.push_back(1);
v.push_back(3);
v.push_back(1);
v.push_back(4);

cout << v.size() << endl;

return 0;
}

2.3.2 capacity()函数

int main()
{
vector<int> v;
cout << "初始：" << v.capacity() << endl;
for (int i = 0; i < 100; i++)
{
v.push_back(i);
if (v.size() == v.capacity())
{
cout << "扩容：" << v.capacity() << endl;
}
}

return 0;
}

2.3.3 empty()函数

bool empty() const;判断是否为空

int main()
{
vector<int> v;
cout << v.empty() << endl;

v.push_back(1);
cout << v.empty() << endl;

return 0;
}

2.3.4resize()函数

void resize (size_type n, value_type val = value_type());
是将字符串中有效字符个数改变到n个，
如果 n 小于当前容器的大小，
则容器会被截断为仅包含前 n 个元素；
如果 n 大于当前容器的大小，
则容器会被扩展到包含 n 个元素，并使用 val 值填充新添加的元素。

注意：resize在改变元素个数时，如果是将元素个数增多，
可能会改变底层容量的大小，如果是将元素个数减少，底层空间总大小不变。

int main()
{
vector<int> v(10, 5);
cout << "初始  size:" << v.size() << " capacity: " << v.capacity() << endl;
v.resize(5, 1);
cout << "初始  size:" << v.size() << " capacity: " << v.capacity() << endl;
v.resize(30, 10);
cout << "初始  size:" << v.size() << " capacity: " << v.capacity() << endl;
return 0;
}

2.3.5 reserve()函数

void reserve (size_type n);
改变vector的capacity

int main()
{
vector<int> v;
cout << "初始:" << v.capacity() << endl;

v.reserve(100);
cout << "扩容:" << v.capacity() << endl;

return 0;
}

2.4 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 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';
}
}
}

vs：运行结果：vs下使用的STL基本是按照1.5倍方式扩容
making foo grow :
capacity changed : 1
capacity changed : 2
capacity changed : 3
capacity changed : 4
capacity changed : 6
capacity changed : 9
capacity changed : 13
capacity changed : 19
capacity changed : 28
capacity changed : 42
capacity changed : 63
capacity changed : 94
capacity changed : 141

g++运行结果：linux下使用的STL基本是按照2倍方式扩容
making foo grow :
capacity changed : 1
capacity changed : 2
capacity changed : 4
capacity changed : 8
capacity changed : 16
capacity changed : 32
capacity changed : 64
capacity changed : 128

// 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 TestVectorExpandOP()
{
vector<int> v;
size_t sz = v.capacity();
v.reserve(100); // 提前将容量设置好，可以避免一遍插入一遍扩容
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 << '\n';
}
}
}

2.5 vector对象的增删查改及访问

接下来我就不代码解释了，这在我之前发的篇章C语言之数据结构中有，可以通过我之前发的作品进行查看

2.5.1 operator[]

像数组一样访问数据
    reference operator[] (size_type n);
 const_reference operator[] (size_type n) const;

2.5.2 push_back()函数

void push_back (const value_type& val); 尾插

像数组一样访问数据
    reference operator[] (size_type n);
 const_reference operator[] (size_type n) const;

2.5.3 find()函数

查找。（注意这个是算法模块实现，不是vector的成员接口）
template <class InputIterator, class T>
            InputIterator find (InputIterator first, InputIterator last, const T& val);

int main()
{
vector<int> v;

v.push_back(1);
v.push_back(2);
v.push_back(3);
v.push_back(4);

vector<int>::iterator it;

it = find(v.begin(), v.end(), 3);
if (it != v.end())
cout << "找到了：" << *it << '\n';
else
cout << "没找到\n";

return 0;
}

2.5.4 insert()函数

int main()
{
vector<int> v1;
vector<int> v2;

v1.push_back(1);
v1.push_back(3);
v1.push_back(1);
v1.push_back(4);


v2.push_back(5);
v2.push_back(2);
v2.push_back(0);


// insert()函数能够在position之前插入val，并返回插入数据位置的 iterator 
v1.insert(v1.begin(), 30);
for (int i = 0; i < v1.size(); ++i)
{
cout << v1[i] << ' ';
}
cout << endl;

// insert()函数能够在position之前插入 n 个 val 
v1.insert(v1.begin() + 2, 5, 10);
for (int i = 0; i < v1.size(); ++i)
{
cout << v1[i] << ' ';
}
cout << endl;

//  insert()函数能够在position之前插入一段迭代器区间的数据      
v1.insert(v1.begin() + 5, v2.begin(), v2.end());
for (int i = 0; i < v1.size(); ++i)
{
cout << v1[i] << ' ';
}
cout << endl;
return 0;
}

2.5.6 erase()函数

int main()
{
vector<int> v;
v.push_back(1);
v.push_back(3);
v.push_back(1);
v.push_back(4);
v.push_back(5);
v.push_back(2);
v.push_back(0);
for (int i = 0; i < v.size(); ++i)
{
cout << v[i] << ' ';
}
cout << endl;

// erase()函数能够删除在position位的的数据，并返回删除数据后面数据位置的 iterator
cout << *(v.erase(v.begin())) << endl;

for (int i = 0; i < v.size(); ++i)
{
cout << v[i] << ' ';
}
cout << endl;

// erase()函数能够删除在迭代器区间 [first,last) 的的数据
// 并返回删除数据后面数据位置的 iterator  
cout << *(v.erase(v.begin(), v.begin() + 3)) << endl;

for (int i = 0; i < v.size(); ++i)
{
cout << v[i] << ' ';
}
cout << endl;

return 0;
}

2.5.7 swap()函数

int main()
{
vector<int> v1(4, 5);
vector<int> v2(5, 10);

for (int i = 0; i < v1.size(); ++i)
{cout << v1[i] << ' ';}

cout << endl;

for (int i = 0; i < v2.size(); ++i)
{cout << v2[i] << ' ';}

cout << endl;

v1.swap(v2);

for (int i = 0; i < v1.size(); ++i)
{
cout << v1[i] << ' ';
}

cout << endl;

for (int i = 0; i < v2.size(); ++i)
{
cout << v2[i] << ' ';
}

cout << endl;
return 0;
}

2.1.4.8 front()函数 + back()函数

int main()
{
vector<int> v;
v.push_back(1);
v.push_back(3);
v.push_back(1);
v.push_back(4);
v.push_back(5);
v.push_back(2);
v.push_back(0);

for (auto e : v)
{
cout << e << " ";
}
cout << endl;
cout << "front : " << v.front() << endl;
cout << "back :  " << v.back() << endl;

return 0;
}

2.6 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：

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>
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;
}

2. 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>
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;
}

解答：第一个main函数错误，第二个main函数正确，因为erase()函数返回的就是删除元素后面元素位置的迭代器，++it会导致跳过一个元素，如果最后一个元素是偶数还会导致程序崩溃。

3. 注意：Linux下，g++编译器对迭代器失效的检测并不是非常严格，处理也没有vs下极端。

// 1. 扩容之后，迭代器已经失效了，程序虽然可以运行，但是运行结果已经不对了
int main()
{
vector<int> v{ 1,2,3,4,5 };
for (size_t i = 0; i < v.size(); ++i)
cout << v[i] << " ";
cout << endl;

auto it = v.begin();
cout << "扩容之前，vector的容量为: " << v.capacity() << endl;
// 通过reserve将底层空间设置为100，目的是为了让vector的迭代器失效 
v.reserve(100);
cout << "扩容之后，vector的容量为: " << v.capacity() << endl;

// 经过上述reserve之后，it迭代器肯定会失效，在vs下程序就直接崩溃了，但是linux下不会
// 虽然可能运行，但是输出的结果是不对的
while (it != v.end())
{
cout << *it << " ";
++it;
}
cout << endl;
return 0;
}

程序输出：
1 2 3 4 5
扩容之前，vector的容量为: 5
扩容之后，vector的容量为 : 100
0 2 3 4 5 409 1 2 3 4 5

// 2. erase删除任意位置代码后，linux下迭代器并没有失效
// 因为空间还是原来的空间，后序元素往前搬移了，it的位置还是有效的
#include <vector>
#include <algorithm>

int main()
{
vector<int> v{ 1,2,3,4,5 };
vector<int>::iterator it = find(v.begin(), v.end(), 3);
v.erase(it);
cout << *it << endl;
while (it != v.end())
{
cout << *it << " ";
++it;
}
cout << endl;
return 0;
}

程序可以正常运行，并打印：
4
4 5

// 3: erase删除的迭代器如果是最后一个元素，删除之后it已经超过end
// 此时迭代器是无效的，++it导致程序崩溃
int main()
{
vector<int> v{ 1,2,3,4,5 };
// vector<int> v{1,2,3,4,5,6};
auto it = v.begin();
while (it != v.end())
{
if (*it % 2 == 0)
v.erase(it);
++it;
}

for (auto e : v)
cout << e << " ";
cout << endl;
return 0;
}

========================================================
// 使用第一组数据时，程序可以运行
[sly@VM - 0 - 3 - centos 20220114]$ g++ testVector.cpp - std = c++11
[sly@VM - 0 - 3 - centos 20220114]$ . / a.out
1 3 5
======================================================== =
// 使用第二组数据时，程序最终会崩溃
[sly@VM - 0 - 3 - centos 20220114]$ vim testVector.cpp
[sly@VM - 0 - 3 - centos 20220114]$ g++ testVector.cpp - std = c++11
[sly@VM - 0 - 3 - centos 20220114]$ . / a.out
Segmentation fault

从上述三个例子中可以看到：SGI STL中，迭代器失效后，代码并不一定会崩溃，但是运行结果肯定不对，如果it不在begin和end范围内，肯定会崩溃的。

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

#include <string>
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;
}
}

迭代器失效解决办法：在使用前，对迭代器重新赋值即可。

三、vector 深度剖析及模拟实现

模拟代码中的成员函数以在前面介绍，若一些成员函数不懂可查看上文

#define _CRT_SECURE_NO_WARNINGS 1
#include<iostream>
#include<assert.h>

using namespace std;

namespace lxp
{
template<class T>
class vector
{
public:
typedef T* iterator;
typedef const T* const_itrartor;
iterator begin()
{
return _start;
}

iterator end()
{
return _finish;
}

const_itrartor begin() const
{
return _start;
}

const_itrartor end() const
{
return _finish;
}

size_t size() const
{
return _finish - _start;
}

size_t capacity() const
{
return _endofstorage - _start;
}

void reserve(size_t n)
{
size_t sz = size();
if (n > capacity())
{
T* tmp = new T[n];
memcpy(tmp, _start, sizeof(T) * size());
delete[] _start;

_start = tmp;
_finish = _start + sz;
_endofstorage  = _start + n;
}
}

void resize(size_t n, const T& val = T())
{
if (n < size())
{
_finish = _start + n;
}
else
{
reserve(n);
for (int i = size(); i < n; i++)
{
*_finish = val;
_finish++;
}
}
}

void push_back(const T& x)
{
if (_finish == _endofstorage )
{
size_t newcapacity = capacity() == 0 ? 4 : capacity() * 2;
reserve(newcapacity);
}
*_finish = x;
_finish++;
}

void pop_back()
{
_finish--;
}

T& operator[](size_t pos)
{
assert(pos < size());

return _start[pos];
}

const T& operator[](size_t pos) const
{
assert(pos < size());

return _start[pos];
}

iterator insert(iterator pos, const T& x)
{
//迭代器扩容时pos位置会失效
assert(pos >= _start && pos < _finish);
size_t len = pos - _start;
if (_finish == _endofstorage )
{
size_t newcapacity = capacity() == 0 ? 4 : capacity() * 2;
reserve(newcapacity);
}
iterator i = _finish;
pos = _start + len;
while (pos < i)
{
*(i) = *(i - 1);
i--;
}
*pos = x;
_finish++;
return pos;
}

iterator erase(iterator pos)
{
assert(pos >= _start && pos < _finish);
iterator i = pos;
while (i < _finish)
{
*i = *(i + 1);
i++;
}
_finish--;
return pos;
}


vector()
:_start(nullptr)
,_finish(nullptr)
,_endofstorage (nullptr)
{}

// vector<int> v(10, 1);
// 
// vector<int> v(10u, 1);
// vector<string> v1(10, "1111");
vector(size_t n, const T& val = T())
{
resize(n, val);
}

vector(int n, const T& val = T())
{
resize(n, val);
}

template<class InputIterator>
vector(InputIterator first, InputIterator last)
{
while (first != last)
{
push_back(*first);
++first;
}
}

vector(const vector<T>& v)
{
_start = new T[v.capacity()];
for (size_t i = 0; i < v.size(); i++)
{
_start[i] = v._start[i];
}

_finish = _start + v.size();
_endofstorage = _start + v.capacity();
}

void swap(vector<T>& v)
{
std::swap(_start, v._start);
std::swap(_finish, v._finish);
std::swap(_endofstorage, v._endofstorage);
}

// v1 = v2
vector<T>& operator=(vector<T> v)
{
swap(v);

return *this;
}

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

private:
iterator _start;
iterator _finish;
iterator _endofstorage;
};
}

结尾

如果有什么建议和疑问，或是有什么错误，希望大家可以在评论区提一下。
希望大家以后也能和我一起进步！！
如果这篇文章对你有用的话，请大家给一个三连支持一下！！

谢谢大家收看🌹🌹

原文地址：https://blog.csdn.net/2201_75537851/article/details/142689937

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