[C++] STL_vector 迭代器失效问题

文章目录

1、前言

**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:string的迭代器就是原生指针char,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)。

对迭代器失效我们了解了,那么现在我们就分析,在vector中哪些操作会导致迭代器失效。

2、情况一:底层空间改变的操作

存在底层空间改变的函数接口有:resize、reserve、insert、assign、push_back等。
产生的原因:

这几个接口都存在扩容的问题,扩容的时候存在异地扩容,当异地扩容后,原本的空间被释放,但是迭代器指的是被释放空间,这就会导致迭代器的失效问题,会引发程序崩溃的问题。
解决方法:

一旦存在扩容,扩容后对迭代器更新一次,重新给迭代器赋值即可。
举例:

我们看一下insert接口。

我们由图中可以看到,当我们需要在3之前插入数据30,但是空间已经满了,因此我们需要进行扩容,扩容是异地开空间,开好空间将旧空间的数据拷贝回来,并将旧空间释放掉,_start指向新的空间头部,但是it指的是旧空间的位置,这就是迭代器失效。我们记住it相对于_start的相对位置,在新空间开好后,更新it,让其指向新空间的相对位置。(方式:计算出it到_start的距离len,开好新空间后,更新it为新的_start+len)。
代码实现:

cpp 复制代码
iterator insert(iterator pos, const T& x)
{
    assert(pos >= _start);
    assert(pos <= _finish);

    if (_finish == _endOfStorage)
    {
        size_t len = pos - _start;//先记下_start到pos位置的距离,因为扩容后迭代器pos就会失效
        reserve(capacity() == 0 ? 4 : 2 * capacity());
        pos = _start + len;//新的空间需要更新迭代器pos
    }

    iterator end = _finish - 1;
    //挪动数据
    while (end >= pos)
    {
        *(end + 1) = *end;
        --end;
    }

    *pos = x;
    ++_finish;

    return pos;
}

3、情况二:指定位置元素的删除操作

对于erase接口也会导致迭代器失效问题。那它是怎么导致的呢,我们来分析一下。
产生原因:

在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。

cpp 复制代码
#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;
}

解决方法:

本质是因为尾删导致的迭代器失效问题,因此我们在尾删完后,返回it的下一个位置,我们的模拟实现是数据覆盖(it+1覆盖it),因此返回的还是it,一删之后 --_finish,当 it指的位置就是_finish 的时候正好也就停止了,因此也就解决了迭代器失效的问题。
代码实现:

cpp 复制代码
iterator erase(iterator pos)
{
    assert(pos >= _start);
    assert(pos < _finish);

    iterator it = pos + 1;
    //挪动数据
    while (it < _endOfStorage)
    {
        *(it - 1) = *it;
        ++it;
    }
    --_finish;

    return pos;
}

4、g++编译器对迭代器失效检测

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vs2019下极端。

我们来看下面这几种情况下,代码在vs2019和g++下不同的表现。

4.1 扩容

cpp 复制代码
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;

    v.reserve(100);
    cout << "扩容之后,vector的容量为: " << v.capacity() << endl;
    
    while(it != v.end())
    {
        cout << *it << " ";
        ++it;
    }
    cout << endl;
    
    return 0;
}

g++下运行结果:

vs2019下运行结果:

vs2019下程序崩溃了。
结论:当扩容后迭代器就是失效的,g++下虽然能运行,但是结果出错了,vs下直接程序崩溃。

4.2 erase删除任意位置(非尾删)

cpp 复制代码
#include <vector>
#include <algorithm>
using namespace std;

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;
}

g++下运行结果:

vs2019下运行结果:

结论:在非尾删的删除中,空间是没有变的,迭代器指的是还是那块空间,g++下迭代器没有失效,删除后后面的数据前移,it位置没失效,vs下只要是erase,就判断为迭代器失效了。

4.3 erase尾删

cpp 复制代码
int main()
{
	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;
}

g++下运行结果:

vs2019下不用看,直接崩溃。
结论:当在尾删的时候,删除之后存在数据挪动,一挪动_finish与it是一个位置了,erase本就返回被删除位置的下一个位置,此时迭代器失效,再++it程序直接崩溃。

5、总结

本篇主要讲了扩容、插入、删除造成的迭代器失效,g++对迭代器失效检测的不严格,而vs对迭代器失效检测很严格,直接崩溃。

1、扩容一般都要更新迭代器,我们不知道哪一次的扩容是异地扩。

2、插入任意位置时,一旦存在扩容就要更新迭代器,本质就是扩容要更新迭代器。

3、删除任意位置时,g++下非尾删不考虑迭代器失效问题,尾删一定要注意迭代器失效问题;vs2019中删除就认定为迭代器失效,直接崩溃。

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