【探索 C++ Vector】数据存储利器，动态扩容随心控。高效管理数据序列，从简单元素排列到复杂结构构建皆能胜任。助力开发者轻松应对多变数据需求，开启便捷高效的 C++ 数据处理新征程。

逆向-落叶

发布于 2024-12-25 10:18:30

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vector的介绍及使用

vector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。

vector的使用

vector的定义

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。

(constructor)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val
vector (const vector& x); （重点）	拷贝构造
vector (InputIterator ﬁrst, InputIterator last);	使用迭代器进行初始化构造

无参构造

无参构造就是构造一个空的容器

vector<int> v1;

构造并初始化n个val

就是初始化10个1。

上面那个范围for底层就是迭代器，当然也可以用。

拷贝构造

就是将v1拷贝给v2。

使用迭代器进行初始化

使用迭代器区间进行初始化

vector iterator 的使用

iterator的使用	接口说明
begin + end（重点）	begin获取第一个数据位置的iterator/const_iterator，end获取最后一个数据的下一个位置的iterator/const_iterator
rbegin +rend	rbegin获取最后一个数据位置的reverse_iterator，end获取第一个数据前一个位置的reverse_iterator

begin+end(重点)

begin是获取第一个数据的位置，end是获取最后一个数据的位置。

rbegin+rend反向迭代器

rbegin获取最后一个位置的数据，rend是获取第一个位置的数据。

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。

size获取数据的个数

我们可以看到有5个数据，获取的也是5。

capacity获取容量大小

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。

empty判断是否为空

vector为空就返回1，不为空就返回0。

resize（重点）改变vector的size

下面我们可以看到有效个数变成34了，

下面我们可以看到，其他的都变成0了。

reserve（重点）改变vector的capacity

下面我们可以看到，有效个数不变，空间大小扩容到100了。

vector 增删查改

vector增删查改	接口说明
push_back（重点）	尾插
pop_back （重点）	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[] （重点）	像数组一样访问-

push_back(重点) 尾插

下面，尾插了1~4，用范围for打印了出来。

pop_back（重点）尾删

下面，我们尾插了1~4，尾删了2次，就是删除了3和4。

find 查找（注意这个是算法模块实现，不是vector的成员接口）

使用find查找需要包含头文件

#include<algorithm>

find是从begin第1个位置查找到end最后一个位置，当然也可以直接指定从那个位置开始查找，那个位置结束。

找到3了，返回3

insert 在n之前插入val

下面，begin就是第一个位置的数据，在这之前插入数据5

如果我们需要在3之前插入数据，begin+2，就是3的下标了。

erase 删除n位置的数据

下面，删除了第一个位置的数据，如果要删除3，begin()+2，就是3的下标了。

swap 交换两个vector的数据空间

下面我们可以看到，v1和v2交换了数据空间。

operator[] （重点）像数组一样访问

下面我们可以看到，v1[3]就是4的下标，把9赋值给3下标。4就变成9了。

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;
}

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;
	}
}

vector深度剖析及模拟实现

std::vector的核心框架接口的模拟实现bit::vector

模拟实现vector

vector.h

#pragma once
#include <iostream>
#include <assert.h>
#include <vector>

using namespace std;

// 定义一个名为 bit 的命名空间
namespace bit
{
    // 模板类 vector，类似于标准库的 std::vector
    template<class T>
    class vector
    {
    public:
        // 定义迭代器类型
        typedef T* iterator;
        typedef const T* const_iterator;

        // 默认构造函数
        vector()
        {
            // 初始化指针为 nullptr
            _start = _finish = _end_of_storage = nullptr;
        }

        // 交换函数，用于交换两个 vector 的内容
        void swap(vector<T>& v)
        {
            // 使用 std::swap 交换指针
            std::swap(_start, v._start);
            std::swap(_finish, v._finish);
            std::swap(_end_of_storage, v._end_of_storage);
        }

        // 赋值运算符，使用拷贝并交换的惯用法
        vector<T>& operator=(vector<T> v)
        {
            // 交换当前对象与传入对象的内部指针
            swap(v);
            // 返回当前对象的引用
            return *this;
        }

        // 拷贝构造函数
        vector(vector<T>& v)
        {
            // 如果传入的 vector 容量较大，则预留足够的空间
            reserve(v.capacity());
            // 遍历传入的 vector 并将元素插入到当前 vector 中
            for (auto& i : v)
            {
                push_back(i);
            }
        }

        // 析构函数，释放动态分配的内存
        ~vector()
        {
            if (_start)
            {
                delete[] _start; // 释放内存
                // 将指针重置为 nullptr
                _start = _finish = _end_of_storage = nullptr;
            }
        }

        // 返回当前 vector 的大小（元素数量）
        size_t size()
        {
            return _finish - _start;
        }

        // 返回当前 vector 的容量（可容纳元素的数量）
        size_t capacity()
        {
            return _end_of_storage - _start;
        }

        // 返回指向第一个元素的迭代器
        iterator begin()
        {
            return _start;
        }

        // 返回指向最后一个元素之后位置的迭代器
        iterator end()
        {
            return _finish;
        }

        // 常量迭代器版本
        const_iterator begin() const
        {
            return _start;
        }

        const_iterator end() const
        {
            return _finish;
        }

        // 重载下标运算符，用于访问元素
        T& operator[](size_t pos)
        {
            return _start[pos];
        }

        const T& operator[](size_t pos) const
        {
            return _start[pos];
        }

        // 预留空间函数，确保 vector 至少有 n 个元素的空间
        void reserve(size_t n)
        {
            if (n > capacity())
            {
                // 计算当前元素数量
                size_t i = _finish - _start;
                // 分配新的内存空间
                T* tmp = new T[n];
                // 将旧数据复制到新内存中
                for (size_t j = 0; j < i; j++)
                {
                    tmp[j] = _start[j];
                }
                // 释放旧内存
                delete[] _start;
                // 更新指针
                _start = tmp;
                _finish = _start + i;
                _end_of_storage = _start + n;
            }
        }

        // 尾插函数，将元素添加到 vector 的末尾
        void push_back(const T& n)
        {
            // 插入元素到末尾
            insert(_finish, n);
        }

        // 尾删函数，删除 vector 末尾的元素
        void pop_back()
        {
            // 将结束指针向前移动
            _finish--;
        }

        // 在指定位置插入元素
        iterator insert(iterator pos, const T& x)
        {
            // 如果当前容量不足，则进行扩容
            if (_finish == _end_of_storage)
            {
                size_t i = pos - _start;
                reserve(capacity() == 0 ? 4 : 2 * capacity());
                pos = _start + i;
            }

            // 将元素向后移动，为新元素腾出空间
            iterator i = _finish;
            while (i > pos)
            {
                *i = *(i - 1);
                i--;
            }

            // 插入新元素
            *pos = x;
            // 更新结束指针
            _finish++;
            // 返回指向新插入元素的迭代器
            return _start;
        }

        // 删除指定位置的元素
        iterator erase(size_t pos)
        {
            iterator i = _start + pos;
            // 将元素向前移动，覆盖要删除的元素
            while (i < _finish)
            {
                *i = *(i + 1);
                i++;
            }
            // 更新结束指针
            _finish--;
            return _start;
        }

    private:
        iterator _start;       // 指向第一个元素的指针
        iterator _finish;      // 指向最后一个元素之后的指针
        iterator _end_of_storage; // 指向存储空间的末尾的指针
    };
}

test.cpp

#include"vector.h"

int main()
{
	bit::vector<int> vv;
	vv.push_back(1);
	vv.push_back(2);
	vv.push_back(3);
	vv.push_back(4);
	//vv.insert(vv.begin()+2, 99);
	//vv.erase(0);
	bit::vector<int> v1;
	v1 = vv;
	bit::vector<int>::iterator i = v1.begin();
	while (i != v1.end())
	{
		cout << *i << endl;
		i++;
	}

}

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：

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。

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> 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：