C++中的vector讲解
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C++中vector详解
文章目录
1、vector的介绍和使用
1.1vector的介绍
使用STL的三个境界：能用，明理，能扩展 ，那么下面学习vector，我们也是按照这个方法去学习。
接下来将介绍，vector的使用方法，以及如何自己实现。
1.2 vector的使用
vectro学习时一定要学会查看文档：vector的介绍文档，vector在实际中非常重要，在实际中我们呢熟悉常见的接口就可以了，下面列出了哪些接口时要重点掌握的。
1.2.1 vector
| 构造函数声明 | 接口说明 |
|---|---|
| vector() (重点) | 无参构造 |
| vector(size_type n, const value_type& val = value_type()) | 构造并初始化n个nal |
| vector(const vector& x) (重点) | 拷贝构造 |
| vector(inputlterator first, inputlterator last); | 使用迭代器进行初始化构造 |
1.2.2 vector iterator 的使用
| iterator的使用 | 接口说明 |
|---|---|
| begin + end (重点) | 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 | 获取最后一个位置的reverse_iterator,获取第一个数据钱一个位置的reverse_iterator |
1.2.3 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（重点） | 改变vector的size |
| reserve(重点) | 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。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';
}
}
}
1.2.3 vector 增删改查
| vector增删查改 | 接口说明 |
|---|---|
| push_back(重点) | 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的位置的数据 |
| swap | 交换两个vector的数据空间 |
| operator[] (重点) | 像数组一样访问 |
1.2.4 vector迭代器失效问题 （重点）
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; } -
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; } -
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。
-
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。
1.2.5 vector在OJ中的使用
class Solution {
public:
int singleNumber(vector<int>& nums) {
int value = 0;
for (auto e : nums)
{
value ^= e;
}
return value;
}
};
// 涉及resize / operator[]
// 核心思想：找出杨辉三角的规律，发现每一行头尾都是1，中间第[j]个数等于上一行[j-1]+
[j]
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);
}
for (int i = 2; i < numRows; ++i)
{
for (int j = 1; j < i; ++j)
{
vv[i][j] = vv[i - 1][j] + vv[i - 1][j - 1];
}
}
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。课下自己实现一遍上面课堂讲解的OJ练习，然后请自行完成下面题目的OJ练习。以此增强学习vector的使用。
2、vector深度剖析以及模拟实现
2.1 std::vector的核心框架接口的模拟实现bit::vector
#include <iostream>
#include <stdexcept>
namespace bit {
template <typename T>
class vector {
private:
T* data;
size_t size_;
size_t capacity_;
void resize(size_t new_capacity) {
T* new_data = new T[new_capacity];
for (size_t i = 0; i < size_; ++i) {
new_data[i] = data[i];
}
delete[] data;
data = new_data;
capacity_ = new_capacity;
}
public:
// Constructor
vector() : size_(0), capacity_(1) {
data = new T[capacity_];
}
// Destructor
~vector() {
delete[] data;
}
// Copy constructor
vector(const vector& other) : size_(other.size_), capacity_(other.capacity_) {
data = new T[capacity_];
for (size_t i = 0; i < size_; ++i) {
data[i] = other.data[i];
}
}
// Assignment operator
vector& operator=(const vector& other) {
if (this != &other) {
delete[] data;
size_ = other.size_;
capacity_ = other.capacity_;
data = new T[capacity_];
for (size_t i = 0; i < size_; ++i) {
data[i] = other.data[i];
}
}
return *this;
}
// Push back
void push_back(const T& value) {
if (size_ == capacity_) {
resize(capacity_ * 2);
}
data[size_++] = value;
}
// Access element
T& operator[](size_t index) {
if (index >= size_) {
throw std::out_of_range("Index out of range");
}
return data[index];
}
const T& operator[](size_t index) const {
if (index >= size_) {
throw std::out_of_range("Index out of range");
}
return data[index];
}
// Size and capacity
size_t size() const {
return size_;
}
size_t capacity() const {
return capacity_;
}
// Check if vector is empty
bool empty() const {
return size_ == 0;
}
// Clear the vector
void clear() {
size_ = 0;
}
};
}
int main() {
bit::vector<int> vec;
vec.push_back(10);
vec.push_back(20);
vec.push_back(30);
std::cout << "Size: " << vec.size() << std::endl;
std::cout << "Capacity: " << vec.capacity() << std::endl;
for (size_t i = 0; i < vec.size(); ++i) {
std::cout << vec[i] << " ";
}
std::cout << std::endl;
return 0;
}
[!NOTE]
动态数组管理：模拟了
std::vector的动态扩展机制，通过resize函数调整数组的大小。基本接口：
push_back：在末尾插入元素，当数组满时自动扩展。operator[]：提供对元素的随机访问，包含越界检查。size和capacity：分别返回当前元素的个数和当前分配的容量。empty：检查是否为空。clear：清空所有元素。
2.2 使用memcpy拷贝问题
假设模拟实现的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？
int main()
{
bite::vector<bite::string> v;
v.push_back("1111");
v.push_back("2222");
v.push_back("3333");
return 0;
}
问题分析：
- 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 - 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。
[!WARNING]
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。
2.3 动态二维数组理解
// 以杨慧三角的前n行为例：假设n为5
void test2vector(size_t n)
{
// 使用vector定义二维数组vv，vv中的每个元素都是vector<int>
bit::vector<bit::vector<int>> vv(n);
// 将二维数组每一行中的vecotr<int>中的元素全部设置为1
for (size_t i = 0; i < n; ++i)
vv[i].resize(i + 1, 1);
// 给杨慧三角出第一列和对角线的所有元素赋值
for (int i = 2; i < n; ++i)
{
for (int j = 1; j < i; ++j)
{
vv[i][j] = vv[i - 1][j] + vv[i - 1][j - 1];
}
}
}
bit::vector<bit::vector<int>> vv(n);构造一个vv动态二维数组，vv中总共有n个元素，每个元素
都是vector类型的，每行没有包含任何元素，如果n为5时如下所示：
vv中元素填充完成之后，如下图所示：
使用标准库中vector构建动态二维数组时与上图实际是一致的
Agent 垂直技术社区，欢迎活跃、内容共建。
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