c＋＋STL容器中vector的使用，模拟实现及迭代器使用注意事项和迭代器失效问题

不穿格子衬衫2024-08-01 21:19

目录

前言：

1.vector的介绍及使用

[1.2 vector的使用](#1.2 vector的使用)

[1.2 1 vector的定义](#1.2 1 vector的定义)

[1.2 2 vector iterator（迭代器）的使用](#1.2 2 vector iterator（迭代器）的使用)

[1.2.3 vector 空间增长问题](#1.2.3 vector 空间增长问题)

[1.2.4 vector 增删查改](#1.2.4 vector 增删查改)

[1.2.5vector 迭代器失效问题。](#1.2.5vector 迭代器失效问题。)

2.vector模拟实现

[2.1 std::vector的核心框架接口的模拟实现bit::vector](#2.1 std::vector的核心框架接口的模拟实现bit::vector)

[2.2 使用memcpy拷贝问题](#2.2 使用memcpy拷贝问题)

前言：

在前面的章节我们已经接触过了关于STL的知识，也就是string类，我们详细介绍了string类的特性及使用，而严格来说string类并没有被归为STL中，因为string类的出现早于STL，string类的接口也比STL中的单个类多，使得string类较其他类显得冗余，这一期我们就要开始讲STL中的内容。

1.vector的介绍及使用

  1. vector是表示可变大小数组的序列容器。

  2. 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。

  3. 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。

  4. 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。

  5. 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。

  6. 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。

1.2 vector的使用

vector的使用与string类相似，要实现一些基本的操作，如增，删，查，改这些操作，c＋＋在库中都已经实现好了接口，我们只需要调用这些接口就可以实现对应的操作。c＋＋如今的地位在很大程度上是因为引入了STL这块的内容。

1.2 1 vector的定义

1.2 2 vector iterator（迭代器）的使用

1.2.3 vector 空间增长问题

（1）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。

（2）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。

（3）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

1.2.4 vector 增删查改

如果我们实现增删查改，只需要调用相应的接口就可以了 ，其中标重点的是我们在日常的开发使用vector中常用的接口，需要我们重点掌握。

1.2.5vector 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：

  1. 会引起其底层空间改变的操作，都有可能是迭代器失效，比如一些常用的接口：resize、reserve、insert、assign、push_back等等。

    #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。

我们来看一个删除vector所有偶数的例子：

#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;
}

我们来运行一下这段代码：

可以看到程序直接崩溃了，这就是经典的迭代器失效的例子，这是为什么呢？我们画图来看：

这是我们的vector刚开始的样子， 第一次进入循环先判断it指向的数1对2取模是否为0，结果不为零，所以it往前走来到了2的位置：

在程序发现2模2为0后2就被删除了，3和4都往前移动一个位置，紧接着it也往前移动了一个位置：

此时end还不等于end，程序判断4模2为0后，又将4删除了，然后end往前一个位置，it又往前一个位置：

可以看到，此时it指向了end后面的位置，而我们循环结束的条件是it等于end就结束，而it在end后面，他就会一直往后走，循环也无法停下来，不仅造成非法访问，也会使程序死循环，这也就是程序奔溃的原因 。这个例子也再次告诉我们，如果我们使用erase删除了数据，那么就不要再使用pos了。

  1. 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()
    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。

    1. 只出现一次的数字i
    2. 杨辉三角OJ
      {
      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;
      }
      }

2.vector模拟实现

由于使用命名空间时，将函数的定义和声明分到不同的文件中会引起连结错误，所以我们分两个文件来实现vector，一个用来实现功能，一个用来测试。

2.1 std::vector的核心框架接口的模拟实现bit::vector

vector.h :

#pragma once
#include<assert.h>
#include<iostream>
using namespace std;

namespace Myvector
{
	template<class T>
	class vector
	{
	public:
		typedef T* iterator;
		vector()
		{}
		vector(vector<T>& v)
		{
			reserve(v.size());
			for (auto& ch : v)
			{
				push_back(ch);
			}
		}


		~vector()
		{
			delete[] _start;
			_start = _finish = _end_of_storage = nullptr;
		}
		void swap(vector<T>& v1)
		{
			std::swap(_start, v1._start);
			std::swap(_finish, v1._finish);
			std::swap(_end_of_storage, v1._end_of_storage);
		}

		vector<T>& operator=(vector<T> v)
		{
			swap(v);
			return *this;
		}

		size_t size()
		{
			return _finish - _start;
		}

		size_t capacity()
		{
			return _end_of_storage - _start;
		}
		void reserve(size_t n)
		{
			if (n > capacity())
			{
				size_t old_size = size();
				T* tmp = new T[n];
				memcpy(tmp, _start, size() * sizeof(T));
				delete _start;
				_start = tmp;
				_finish = _start + old_size;
				_end_of_storage = _start + n;
			}
		}

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

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

		iterator begin()
		{
			return _start;
		}

		iterator end()
		{
			return _finish;
		}

		void pop_back()
		{
			--_finish;
		}
		void resize(size_t n, T val = T())
		{
			if (n < size())
			{
				_finish = _start + n;
			}
			else
			{
				reserve(n);
				while (_finish < _start + n)
				{
					*_finish = val;
					_finish++;
				}
			}
		}

		void erase(iterator pos)
		{
			assert(pos >= _start);
			assert(pos <= _finish);

			iterator it = pos + 1;

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

		}

		void insert(iterator pos, const T& x)
		{
			assert(pos >= _start);
			assert(pos <= _finish);
			if (_finish == _end_of_storage)
			{
				size_t len = pos - _start;
				reserve(capacity() == 0 ? 4 : capacity() * 2);
				pos = _start + len;
			}

			iterator end = _finish - 1;
			while (end >= pos)
			{
				*(end + 1) = *end;
				end--;

			}
			*pos = x;
			++_finish;
		}

	private:
		iterator _start = nullptr;
		iterator _finish = nullptr;
		iterator _end_of_storage = nullptr;
	};
}

test.cpp :

#include"vector.h"
namespace Myvector
{
	void test()
	{
		vector<int> v;
		v.push_back(1);
		v.push_back(2);
		v.push_back(3);
		v.push_back(4);

		v.insert(v.begin() + 2, 40);

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

		}
		cout << endl;

		vector<int>::iterator it = v.begin();

		while (it != v.end())
		{

			cout << *it << " ";
			++it;
		}
		cout << endl;

		for (auto ch : v)
		{
			cout << ch << " ";
		}
		cout << endl;
		v.erase(v.begin() + 2);
		v.resize(10, 1);
		for (auto ch : v)
		{
			cout << ch << " ";
		}
		cout << endl;
	}

	void test02()
	{
		vector<int> v;
		v.push_back(1);
		v.push_back(2);
		v.push_back(3);
		v.push_back(4);
		v.push_back(5);
		for (auto ch : v)
		{
			cout << ch << " ";
		}
		cout << endl;
		vector<int> v1;
		v1 = v;
		for (auto ch : v1)
		{
			cout << ch << " ";
		}
		cout << endl;


	}
}


int main()
{
	//Myvector::test();
	Myvector::test02();
	return 0;
}

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：

  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。

本章完。

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