【C++】 9. vector

文章目录

一、vector的介绍及使用
- 1、vector的介绍
- 2、vector对象的常用接口
- - 1）constructor
  - 2）Iterators
  - 3）Capacity
  - [4）Element access](#4）Element access)
  - 5）Modifiers:
  - 6）迭代器失效问题
二、vector的模拟实现

一、vector的介绍及使用

1、vector的介绍

什么是vector？根据之前学过的数据结构知识，在这里可以将vector认为是顺序表。

vector的文档介绍

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。

2、vector对象的常用接口

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。

1）constructor

(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

示例如下：

cpp 复制代码

#include<iostream>
#include<vector>
using namespace std;

int main()
{
	vector<int> v1;//无参构造
	vector<int> v2(10, 1);//构造并初始化10个1
	vector<int> v3(++v2.begin(), --v2.end());//迭代器进行初始化构造
	vector<int> v4 = v3;//拷贝构造

	//三种遍历
	//1、for循环
	for (size_t i = 0; i < v3.size(); i++)
	{
		cout << v3[i] << " ";
	}
	cout << endl;

	//2、迭代器
	vector<int>::iterator it = v3.begin();
	while (it != v3.end())
	{
		cout << *it << " ";
		it++;
	}
	cout << endl;

	//3、范围for(底层迭代器)
	for (auto e : v3)
	{
		cout << e << " ";
	}
	cout << endl;

 	return 0;
}

运行结果：

除此之外，C++11以后还支持一种初始化列表的方式来进行初始化。

如下：

cpp 复制代码

#include<iostream>
#include<vector>
using namespace std;

int main()
{
	vector<int> v{ 1,2,3,4 };

	return 0;
}

2）Iterators

函数声明	接口说明
begin + end（重要）	获取第一个数据位置的迭代器，获取最后一个数据的下一个位置的迭代器
rbegin + rend	获取最后一个数据位置的迭代器，获取第一个数据前一个位置的迭代器

示例如下：

cpp 复制代码

#include<iostream>
#include<vector>
using namespace std;

int main()
{
	vector<int> v{ 1,2,3,4 };

	//正向遍历
	vector<int>::iterator it = v.begin();
	while (it != v.end())
	{
		cout << *it << " ";
		++it;
	}
	cout << endl;

	//反向遍历
	vector<int>::reverse_iterator rit = v.rbegin();
	while (rit != v.rend())
	{
		cout << *rit << " ";
		++rit;
	}
	cout << endl;

	return 0;
}

运行结果：

3）Capacity

函数声明	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）	修改vector的size
reserve（重点）	修改vector的capacity

示例如下：

cpp 复制代码

#include<iostream>
#include<vector>
using namespace std;

int main()
{
	vector<int> v1{ 1,2,3,4 };
	cout << v1.size() << endl;//数据个数
	cout << v1.capacity() << endl;//容量大小
	cout << v1.empty() << endl;//判断是否为空

	v1.resize(10, 2);//修改size
	for (auto e : v1)
	{
		cout << e << " ";
	}
	cout << endl;

	cout << v1.size() << endl;
	cout << v1.capacity() << endl;

	v1.reserve(20);//修改capacity
	cout << v1.size() << endl;
	cout << v1.capacity() << endl;

	return 0;
}

运行结果：

注意：

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。
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。

cpp 复制代码

//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:" << endl;
	for (size_t i = 0; i < 100; i++)
	{
		v.push_back(i);
		if (sz != v.capacity())
		{
			sz = v.capacity();
			cout << "capacity changed: " << sz << endl;
		}
	}
}

vs运行结果：vs下使用的STL基本是按照1.5倍方式扩容

g++运行结果：linux下使用的STL基本是按照2倍方式扩容

cpp 复制代码

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。

cpp 复制代码

//测试vector的默认扩容机制
void testVectorExpand()
{
	size_t sz;
	vector<int> v;
	sz = v.capacity();
	v.reserve(100);//提前设置空间

	cout << "making v grow:" << endl;
	for (size_t i = 0; i < 100; i++)
	{
		v.push_back(i);
		if (sz != v.capacity())
		{
			sz = v.capacity();
			cout << "capacity changed: " << sz << endl;
		}
	}
}

运行结果：

4）Element access

函数声明	接口说明
front	访问第一个元素
back	访问最后一个元素
operator[ ]（重点）	像数组一样访问

示例如下：

cpp 复制代码

#include<iostream>
#include<vector>
using namespace std;

int main()
{
	vector<int> v{ 1,2,3,4 };
	cout << v.front() << endl;//第一个元素
	cout << v.back() << endl;//最后一个元素

	//[]
	v[2] = 10;

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

	//[][]
	vector<int> v1(5, 1);
	vector<vector<int>> v2(10, v1);
	v2[3][3] = 100;

	cout << "v2: " << endl;
	for (size_t i = 0; i < v2.size(); i++)
	{
		for (size_t j = 0; j < v1.size(); j++)
		{
			cout << v2[i][j] << " ";
		}
		cout << endl;
	}
	cout << endl;

	return 0;
}

运行结果：

5）Modifiers:

函数声明	接口说明
push_back（重点）	尾插
pop_back （重点）	尾删
find	查找（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（仅支持迭代器）
erase	删除position位置的数据（仅支持迭代器）
swap	交换两个vector的数据空间

示例1如下：

cpp 复制代码

#include<iostream>
#include<vector>
using namespace std;

int main()
{
	vector<int> v1(5, 0);

	v1.push_back(1);//尾插
	v1.push_back(2);
	v1.push_back(3);
	v1.push_back(4);
	v1.pop_back(); //尾删

	cout << "v1: ";
	for (auto e : v1)
	{
		cout << e << " ";
	}
	cout << endl;

	vector<int>::iterator it = find(v1.begin(), v1.end(), 2);//find
	it++;
	cout << *it << endl;

	vector<int> v2(5, 0);

	v2.insert(v2.begin(), 1);//插入
	v2.insert(v2.begin() + 1, 2);
	v2.erase(v2.begin());//删除

	cout << "v2: ";
	for (auto e : v2)
	{
		cout << e << " ";
	}
	cout << endl;

	vector<int> v3(5, 1);
	v3.swap(v2);//交换

	cout << "交换后v3: ";
	for (auto e : v3)
	{
		cout << e << " ";
	}
	cout << endl;

	cout << "交换后v2: ";
	for (auto e : v2)
	{
		cout << e << " ";
	}
	cout << endl;

	return 0;
}

运行结果：

6）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：

会引起其底层空间改变的操作，都有可能使迭代器失效，比如：resize、reserve、insert、assign、push_back等。

cpp 复制代码

#include <iostream>
#include <vector>
using namespace std;

int main()
{
	vector<int> v;
	v.push_back(1);
	v.push_back(2);
	v.push_back(3);
	v.push_back(4);
	print_vector(v);

	int x;
	cin >> x;
	auto p = find(v.begin(), v.end(), x);
	if (p != v.end())
	{
		//insert以后p就失效了，要访问就要更新这个失效的迭代器的值
        v.insert(p, 40);
        (*p) *= 10;

        //更新p
        //p = v.insert(p, 40);
        //(*(p + 1)) *= 10;
	}
	print_vector(v);

    return 0;
}

运行结果：

这里我们本来想将3的值乘以10，但由于插入数据后迭代器p就失效了，不再指向原来的3了，如果还想要访问原来p所对应的数据，就要更新迭代器p。

更新后的运行结果：

指定位置元素的删除操作--erase

cpp 复制代码

#include <iostream>
#include <vector>
using namespace std;

int main()
{
	int a[] = { 1, 2, 3, 4 };
	vector<int> v(a, a + sizeof(a) / sizeof(int));
	
	vector<int>::iterator pos = find(v.begin(), v.end(), 3);//查找3所在位置的iterator
	v.erase(pos);//删除pos位置的数据,导致pos迭代器失效。
	cout << *pos << endl; //此处会导致非法访问
	return 0;
}

编译报错：

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，这里有两段代码。

cpp 复制代码

void test1()
{
	vector<int> v{ 1,2,3,4,4,5 };
	auto it = v.begin();
	while (it != v.end())
	{
		if (*it % 2 == 0)
			v.erase(it);//函数执行后，it所指向的节点已被删除，因此it无效，在下一次使用it时，必须先给其赋值
		++it;//非法访问
	}

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

//改正
void test2()
{
	vector<int> v{ 1,2,3,4,4,5 };
	auto it = v.begin();
	while (it != v.end())
	{
		if (*it % 2 == 0)
			it = v.erase(it);
		else
			++it;
	}

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

运行test1：编译报错。

运行test2：

test1造成编译报错的原因是当遇到偶数时，erase删除数据后，此时it已经指向下一个数据了，再进行++就会跳过某些元素。正确的做法是当遇到偶数删除后，要及时更新it。

与vector类似，string在插入+扩容操作+erase之后，迭代器也会失效

cpp 复制代码

#include <string>

#include <string>
void TestString()
{
	string s("hello");
	auto it = s.begin();

	//s.resize(20, 'x');//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
	while (it != s.end())
	{
		cout << *it;
		++it;
	}
	cout << endl;

	it = s.begin();
	while (it != s.end())
	{
		//s.erase(it);//删除后未更新it，导致it失效
		it = s.erase(it);
	}
}

迭代器失效解决办法：在使用前，对迭代器重新赋值即可。

二、vector的模拟实现

1、模拟实现vector

1）vector.h

cpp 复制代码

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

namespace zsy
{
	template<class T>
	class vector
	{
	public:
		typedef T* iterator;
		typedef const T* const_iterator;

		//默认构造函数
		vector() = default;

		//构造函数
		vector(size_t n, const T& val = T())//T()表示T类型的默认构造值（如int()是 0，string()是空字符串）
		{
			reserve(n);
			for (size_t i = 0; i < n; i++)
			{
				push_back(val);
			}
		}

		vector(int n, const T& val = T())
		{
			reserve(n);
			for (int i = 0; i < n; i++)
			{
				push_back(val);
			}
		}

		//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;
			}
		}


		//拷贝构造
		vector(const vector<T>& v)
		{
			reserve(v.size());
			for (auto e : v)
			{
				push_back(e);
			}
		}

		~vector()
		{
			if (_start)
			{
				delete[] _start;
				_start = _finish = _end_of_storage = nullptr;
			}
		}

		//v3 = v1 赋值
		void clear()
		{
			_start = _finish;
		}

		/*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);
		}

		//v3 = v1 赋值
		vector<T>& operator=(vector<T> v)//传参会调用拷贝构造
		{
			swap(v);

			return *this;
		}

		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;//[_start _finish) 左闭右开区间
		}

		size_t capacity() const
		{
			return _end_of_storage - _start;
		}

		bool empty() const
		{
			return _start == _finish;
		}

		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));
				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())
		{
			if (n < size())
			{
				_finish = _start + n;
			}
			else
			{
				reserve(n);
				while (_finish < _start + n)
				{
					*_finish = val;
					++_finish;
				}
			}
		}

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

			*_finish = x;
			_finish++;

		}
		
		void pop_back()
		{
			assert(!empty());

			--_finish;
		}

		iterator insert(iterator pos, const T& x)
		{
			//扩容
			if (_finish == _end_of_storage)
			{
				size_t len = pos - _start;
				reserve(capacity() == 0 ? 4 : 2 * capacity());
				//更新pos
				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 && pos < _finish);

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

			--_finish;

			return pos;
		}


		T& operator[](size_t i)
		{
			assert(i < size());

			return _start[i];
		}

		const T& operator[](size_t i) const
		{
			assert(i < size());

			return _start[i];
		}


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

	//类外
	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是类型还是静态成员变量
		//typename vector<T>::const_iterator it = v.begin();//auto 
		//while (it != v.end())
		//{
		//	cout << *it << " ";
		//	it++;
		//}
		//cout << endl;

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

	template<class Container>
	void print_container(const Container& v)
	{
		for (auto e : v)
		{
			cout << e << " ";
		}
		cout << endl;
	}

}

2）Test.cpp

此文件用于测试模拟实现的各种vector的接口。

cpp 复制代码

#include"vector.h"

namespace zsy
{
	void test1()
	{
		vector<int> v;
		v.reserve(20);//预留空间
		cout << v.capacity() << endl;

		v.push_back(1);//尾插
		v.push_back(2);
		v.push_back(3);
		v.push_back(4);
		v.pop_back();//尾删

		print_vector(v);
	}

	void test2()
	{
		vector<int> v1;
		v1.reserve(10);
		v1.insert(v1.begin(), 1);//插入
		v1.insert(v1.begin(), 2);
		v1.insert(v1.begin(), 3);
		v1.insert(v1.begin(), 4);
		print_vector(v1);

		v1[0] = 10;//[]
		print_vector(v1);

		v1.erase(v1.begin());//删除
		print_vector(v1);
	}

	void test3()
	{
		vector<int> v1;
		v1.push_back(1);
		v1.push_back(2);
		v1.push_back(3);
		v1.push_back(4);
		print_vector(v1);

		vector<int> v2 = v1;//拷贝构造
		print_vector(v2);

		vector<int> v3;
		v3 = v1;//赋值
		print_vector(v3);
	}

	void test4()
	{
		vector<int> v1(10, 1);//构造
		print_vector(v1);

		vector<int> v2(v1.begin() + 1, v1.end() - 1);//构造
		print_container(v2);

		vector<string> v3(10, "hello");
		print_container(v3);//打印容器

		list<int> lt;
		lt.push_back(10);
		lt.push_back(20);
		lt.push_back(30);
		lt.push_back(40);
		print_container(lt);
	}

	void test5()
	{
		vector<int> v1(10, 1);
		print_container(v1);

		v1.resize(15, 2);
		print_container(v1);
	}

	//迭代器失效问题
	void test6()
	{
		vector<int> v;
		v.push_back(1);
		v.push_back(2);
		v.push_back(3);
		v.push_back(4);
		print_vector(v);

		int x;
		cin >> x;
		auto p = find(v.begin(), v.end(), x);
		if (p != v.end())
		{
			//insert以后p就失效了，要访问就要更新这个失效的迭代器的值
			//v.insert(p, 40);
			//(*p) *= 10;

			//更新p
			p = v.insert(p, 40);
			(*(p + 1)) *= 10;
		}
		print_vector(v);
 	}

	void test7()
	{
		vector<int> v;
		v.push_back(1);
		v.push_back(2);
		v.push_back(3);
		v.push_back(4);
		print_vector(v);

		int x = 0;
		cin >> x;
		vector<int>::iterator pos = find(v.begin(), v.end(), x);//使用find查找3所在位置的iterator
		if (pos != v.end())
		{
			//v.erase(pos);
			//cout << *pos << endl;

			//更新pos
			pos = v.erase(pos);
			cout << *pos << endl;
		}
	}

}

//main函数要定义在全局
int main()
{
	//zsy:: test1();
	//zsy::test2();
	//zsy::test3();
	//zsy::test4();
	//zsy::test5();
	//zsy::test6();
	zsy::test7();
	return 0;
}

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？

cpp 复制代码

int main()
{
	zsy::vector<zsy::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。
如果拷贝的是内置类型的元素，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。

3、动态二维数组理解

以杨辉三角举例：

cpp 复制代码

class Solution {
public:
	vector<vector<int>> generate(int numRows)
	{
		vector<vector<int>> vv(numRows);
		//先全部初始化为1
		for (size_t i = 0; i < numRows; i++)
		{
			//为每行开空间
			vv[i].resize(i + 1, 1);
		}
		//从第3行开始处理其他位置
		for (size_t i = 2; i < vv.size(); i++)
		{
			for (size_t j = 1; j < vv[i].size() - 1; j++)
			{
				vv[i][j] = vv[i - 1][j - 1] + vv[i - 1][j];
			}
		}

		return vv;
	}
};

先构造一个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。