【C++】STL--vector

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发布于 2024-11-22 20:51:43

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1.vector的介绍

我们先来看看vector的文档介绍，实际中我们只要熟悉相关接口就好了。

成员函数

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

2 vector的使用

vector学习时一定要学会查看文档：vector的文档介绍，vector在实际中非常的重要，在实际中我们熟悉常见的接口就可以，下面列出了哪些接口是要重点掌握的。

2.1vector的定义

void test_vector1()
{
	//类模板只能实例化
	vector<int> b1;
	vector<int> v2(10, 1);//初始化10个1
	vector<int> v3(v2.begin(), v2.end());
	vector<int> v4(v3);
	//遍历
	for (size_t i = 0; i < v3.size(); i++)
	{
		cout << v3[i] << " ";
	}
	cout << endl;
	
	//范围for
	for (auto e : v4)
	{
		cout << e << " ";
	}
	cout << endl;
}

2.2 vector iterator 的使用

void test_vector1()
{
	vector<int> v5({1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9});
	//遍历
	for (size_t i = 0; i < v5.size(); i++)
	{
		cout << v5[i] << " ";
	}
	cout << endl;
	vector<int>::iterator it = v5.begin();

	//迭代器
	while (it != v5.end())
	{
		cout << *it << " ";
		it++;
	}
	cout << endl;

	vector<int>::reverse_iterator rit = v5.rbegin();
	while (rit != v5.rend())
	{
		cout << *rit << " ";
		rit++;
	}
	cout << endl;
}

2.3 vector 空间增长问题

void test_vector3()
{
	vector<int> v(10, 1);
	v.reserve(20);
	cout << v.size() << endl;
	cout << v.capacity() << endl;

	//resize改变size的大小，不缩容
	v.resize(15,2);//15个数据初始化为2
	cout << v.size() << endl;
	cout << v.capacity() << endl;

	v.resize(25,3);
	cout << v.size() << endl;
	cout << v.capacity() << endl;

	v.resize(5);
	cout << v.size() << endl;
	cout << v.capacity() << endl;
}

void TestVectorExpand()
{
	size_t sz;
	vector<int> v;
	//提前开空间
	//v.reserve(100);
	sz = v.capacity();
	cout << "capaticy changed: " << sz << '\n';
	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';
		}
	}
}
void test_vector2()
{
	//不缩容
	vector<int> v(10, 1);
	v.reserve(20);
	cout << v.size() << endl;
	cout << v.capacity() << endl;

	v.reserve(15);
	cout << v.size() << endl;
	cout << v.capacity()<< endl;

	v.reserve(5);
	cout << v.size() << endl;
	cout << v.capacity() << endl;
	TestVectorExpand();
}

VS下

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

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

// 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 TestVectorExpand()
{
	size_t sz;
	vector<int> v;
	//提前开空间
	v.reserve(100);
	sz = v.capacity();
	cout << "capaticy changed: " << sz << '\n';
	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';
		}
	}
}

2.3 vector 增删查改

#include <iostream>
#include <vector>
using namespace std;
void TestVector4()
{
	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 << " ";
		++it;
	}
	cout << endl;

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

	it = v.begin();
	while (it != v.end())
	{
		cout << *it << " ";
		++it;
	}
	cout << 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
	vector<int> v{ 1, 2, 3, 4 };
	vector<int>::iterator it1 = v.begin();
	while (it1 != v.end())
	{
		cout << *it1 << " ";
		++it1;
	}
	cout << endl;
	// 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 << " ";
		++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 << " ";
		++it;
	}
	cout << 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()
{
	vector<int> v{ 1, 2, 3, 4 };
	vector<int>::iterator it1 = v.begin();
	while (it1 != v.end())
	{
		cout << *it1 << " ";
		++it1;
	}
	cout << endl;
	// 通过[]读写第0个位置。
	v[0] = 10;
	cout << v[0] << endl;

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

	vector<int> swapv{ 7,8,9,19 };
	swapv.swap(v);

	cout << "v data:";
	for (size_t i = 0; i < v.size(); ++i)
		cout << v[i] << " ";
	cout << endl;

	// 2. 使用迭代器遍历
	cout << "swapv data:";
	auto it = swapv.begin();
	while (it != swapv.end())
	{
		cout << *it << " ";
		++it;
	}
	cout << endl;
	// 3. 使用范围for遍历
	for (auto x : v)
		cout << x << " ";
	cout << endl;
}
int main()
{
	TestVector4();
	TestVector5();
	TestVector6();
	return 0;
}

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：

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,erase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

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？

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;
}

答案是第二个，erase以后it就是失效，不要直接访问，要访问就要更新这个失效的迭代器的值

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] vim testVector.cpp [sly@VM - 0 - 3 - centos 20220114] g++ testVector.cpp - std = c++11 [sly@VM - 0 - 3 - centos 20220114]

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

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。

3.vector深度剖析及模拟实现

//.h
#pragma once
#include <iostream>
#include <assert.h>
#include <list>
#include<string>
namespace xc
{
	template<class T>
	class vector
	{
	public:
		typedef T* iterator;
		typedef const T* const_iterator;

		
		/*
		vector()
		{}*/

		// C++11 前置生成默认构造
		vector() = default;

		void clear()
		{
			_finish = _start;
		}
		传统写法
		//vector<T> operator=(const vector<T>& v)
		//{
		//	if (*this != &v)
		//	{
		//		clear();
		//		reserve(v.size());
		//		for (auto& e : v)
		//		{
		//			push_back(e);
		//		}

		//	}
		//	return *this;
		//}
		void swap(vector<T>& v)
		{
			std::swap(_start, v._start);
			std::swap(_finish, v._finish);
			std::swap(_end_of_storage, v._end_of_storage);
		}
		
		//类里面类名可以是类型，类外面不可以
		//vector<T>& operator= (vector v)
		//现代写法
		vector<T>& operator= (vector<T> v)
		{
			swap(v);
			return*this;
		}
		~vector()
		{
			if (_start)
			{
				delete[] _start;
				_start = _finish = _end_of_storage = nullptr;
			}
		}
		iterator begin()
		{
			return _start;
		}
		iterator end()
		{
			return _finish;
		}
		const_iterator begin()const
		{
			return _start;
		}
		const_iterator end()const
		{
			return _finish;
		}
		size_t size() const
		{
			return _finish  - _start;
		}
		size_t capacity() const
		{
			return _end_of_storage - _start;
		}
		size_t size()
		{
			return _finish - _start;
		}
		//拷贝构造
		vector(const vector<T>& v)
		{
			reserve(v.size());
			for (auto& e : v)
			{
				push_back(e);
			}
		}

		// 类模板的成员函数，还可以继续是函数模版
		template <class InputIterator>
		vector(InputIterator first, InputIterator last)
		{
			while (first != last)
			{
				push_back(*first);
				++first;
			}
		}
		vector(size_t n, const T& val = T())
		{
			reserve(n);
			for (size_t i = 0; i < n; i++)
			{
				push_back(val);
			}
		}
		vector(int n, const T& val = T())
		{
			reserve(n);
			for (size_t i = 0; i < n; i++)
			{
				push_back(val);
			}
		}
		
		void reserve(size_t n)
		{
			if (n > capacity())
			{
				size_t old_size = size();
				T* tmp = new T[n];
				//memcpy(tmp, _start, old_size * sizeof(T));//浅拷贝
				for (size_t i = 0; i < old_size; i++)
				{
					tmp[i] = _start[i];
				}
				delete[] _start;

				_start = tmp;
				_finish = tmp + old_size;
				_end_of_storage = tmp + n;
			}
		}
		void resize(size_t n, T val = T())
		{
			//删除数据
			if (n < size())
			{
				_finish = _start + n;
			}
			else
			{
				reserve(n);
				while (_finish < _start + n)
				{
					*_finish = val;
					++_finish;
				}
			}
		}
		bool empty()
		{
			return _stat == _finish;
		}
		void push_back(const T& x)
		{
			//扩容
			if (_finish == _end_of_storage)
			{
				reserve(capacity() == 0 ? 4 : capacity() * 2);
			}
			*_finish = x;
			++_finish;
		}
		T& operator[](size_t i)
		{
			assert(i < size());
			return _start[i];
		}
		const T& operator[](size_t i)const
		{
			assert(i < size());
			return _start[i];

		}
		void pos_back()
		{
			assert(!empty());
			--_finish;
		}
		iterator insert(iterator pos, const T& x)
		{
			//扩容
			if (_finish == _end_of_storage)
			{
				size_t len = pos - _start;//指针-指针等于元素个数
				reserve(capacity() == 0 ? 4 : capacity() * 2);
				pos = _start + len;
			}
			iterator end = _finish - 1;
			while (end >= pos)
			{
				*(end + 1) = *end;
				--end;
			}
			*pos = x;
			++_finish;
			return pos;
		}
		iterator erase(iterator pos)
		{
			assert(pos >= _start);
			assert(pos < _finish);

			iterator it = pos + 1;
			while (it != end())
			{
				*(it - 1) = *it;
				++it;
			}
			--_finish;
			return pos;
		}
		

		
	private:
		iterator _start = nullptr;//头部
		iterator _finish = nullptr;//尾部
		iterator _end_of_storage = nullptr;//容量
	};

	template<class T>
	void print_vector(const vector<T>& v)
	{
		// 规定，没有实例化的类模板里面取东西，编译器不能区分这里const_iterator
		// 是类型还是静态成员变量
		//typename vector<T>::const_iterator it = v.begin();//加上这个就可以了
		/*auto it = v.begin();
		while (it != v.end())
		{
			cout << *it << " ";
			++it;
		}*/
		cout << endl;
		for (auto e : v)
		{
			cout << e << " ";
		}
		cout << endl;
	}
	//模版
	template<class Container>
	void print_container(const Container& v)
	{
		
		/*auto it = v.begin();
		while (it != v.end())
		{
			cout << *it << " ";
			++it;
		}
		cout << endl;*/

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

	void test_vector1()
	{
		vector<int> v;
		v.push_back(1);
		v.push_back(2);
		v.push_back(3);
		v.push_back(4);
		v.push_back(5);
		for (size_t i = 0; i < v.size(); i++)
		{
			cout << v[i] << " ";
		}
		cout << std::endl;
		vector<int>::iterator it = v.begin();
		while (it != v.end())
		{
			cout << *it << " ";
			++it;
		}
		cout << endl;
		for (auto e : v)
		{
			cout << e << " ";
		}
		cout << endl;

		print_vector(v);

		vector<double> vd;
		vd.push_back(1.1);
		vd.push_back(2.1);
		vd.push_back(3.1);
		vd.push_back(4.1);
		vd.push_back(5.1);
		print_vector(vd);
	}
	void test_vector2()
	{
		vector<int> v;
		v.push_back(1);
		v.push_back(2);
		v.push_back(3);
		v.push_back(4);

		print_vector(v);

		v.insert(v.begin() + 2, 30);
		print_vector(v);

		int x;
		cin >> x;
		auto p = find(v.begin(), v.end(), x);//find所有容器都可以用,开区间查找，找到返回一个迭代器，指向在序列中找到的第一个与value相等的元素，如不存在返回last迭代器(范围迭代器end)
		if (p != v.end())
		{
			// insert以后p就是失效，不要直接访问，要访问就要更新这个失效的迭代器的值
			//v.insert(p, 40);
			//(*p) *= 10;
			p = v.insert(p, 40);
			//(*(p + 1)) *= 10;
		}
		print_vector(v);
	}
	void test_vector3()
	{
		vector<int> v;
		v.push_back(1);
		v.push_back(2);
		v.push_back(3);
		v.push_back(4);

		print_container(v);
		//删除所有的偶数
		auto it = v.begin();
		while (it != v.end())
		{
			if (*it % 2 == 0)
			{
				//要更新迭代器否则会出错(迭代器生效)
				it = v.erase(it);
			}
			else
			{
				++it;
			}
		}
		print_container(v);
	
	}
	void test_vector4()
	{
		int i = int();
		int j = int(1);
		int k(2);
		vector<int>v;
		v.resize(10, 1);
		v.reserve(20);

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

		v.resize(15, 2);
		print_container(v);

		v.resize(25, 3);
		print_container(v);

		v.resize(5);
		print_container(v);

	}

	void test_vector5()
	{
		vector<int> v1;
		v1.push_back(1);
		v1.push_back(2);
		v1.push_back(3);
		v1.push_back(4);
		print_container(v1);

		vector<int> v2 = v1;
		print_container(v2);

		vector<int>v3;
		v3.push_back(10);
		v3.push_back(20);
		v3.push_back(30);

		v1 = v3;
		print_container(v1);
		print_container(v3);

	}

	void test_vector6()
	{
		vector<int> v1;
		v1.push_back(1);
		v1.push_back(2);
		v1.push_back(3);
		v1.push_back(4);
		v1.push_back(4);
		v1.push_back(4);

		//区间初始化
		vector<int> v2(v1.begin(), v1.begin() + 3);
		print_container(v2);
		print_container(v1);

		list<int>lt;
		lt.push_back(10);
		lt.push_back(10);
		lt.push_back(10);
		lt.push_back(10);
		vector<int> v3(lt.begin(), lt.end());
		print_container(lt);
		print_container(v3);

		vector<string>v4(10, "11111111");
		print_container(v4);

		vector<int> v5(10);
		print_container(v5);

		/*vector<int> v6(10u,1);
		print_container(v5);*/

		vector<int> v7(10,1);
		print_container(v7);
	}
	void test_vector7()
	{
		vector<string> v;
		v.push_back("11111111111111111111");
		v.push_back("11111111111111111111");
		v.push_back("11111111111111111111");
		v.push_back("11111111111111111111");
		print_container(v);

		v.push_back("11111111111111111111");
		print_container(v);
	}
}