系统性学习C++-第八讲-vector类

微露清风2025-10-27 23:53

系统性学习C++-第八讲-vector类

  • [1. vector 的介绍及使用](#1. vector 的介绍及使用)
    • [1.1 vector 的介绍](#1.1 vector 的介绍)
    • [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 的使用](#1.2.2 vector iterator 的使用)
      • [1.2.3 vector 空间增长问题](#1.2.3 vector 空间增长问题)
      • [1.2.3 vector 增删查改](#1.2.3 vector 增删查改)
      • [1.2.4 vector 迭代器失效问题（重点）](#1.2.4 vector 迭代器失效问题（重点）)
      • [1.2.5 vector 在 OJ 中的使用](#1.2.5 vector 在 OJ 中的使用)
  • [2.vector 深度剖析及模拟实现](#2.vector 深度剖析及模拟实现)
    • [2.1 使用 memcpy 拷贝问题](#2.1 使用 memcpy 拷贝问题)
    • [2.2 动态二维数组理解](#2.2 动态二维数组理解)

1. vector 的介绍及使用

1.1 vector 的介绍

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

1.2 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。

1.2.1 vector 的定义

contructor 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, Inputlterator last); 使用迭代器进行初始化构造

1.2.2 vector iterator 的使用

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


1.2.3 vector 空间增长问题

容量空间 接口数量
size 获取数据个数
capacity 获取容量大小
empty 判断是否为空
resize 改变 vector 的 size
reserve 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 。

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:\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
cpp 复制代码 
// 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 TestVectorExpandOP()
{
	vector<int> v;
	size_t sz = v.capacity();
	v.reserve(100); // 提前将容量设置好，可以避免一遍插入一遍扩容
	cout << "making bar 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';
		}
	}
}

1.2.3 vector 增删查改

vector 增删查改 接口说明
push_back 尾插
pop_back 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
erase 删除 position 位置的数据
swap 交换两个 vector 的数据空间
operator[] 像数组一样访问

1.2.4 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 等。

cpp 复制代码 
#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

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;
}

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？

cpp 复制代码 
#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。

cpp 复制代码 
// 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

cpp 复制代码 
#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;
	}
}

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

杨辉三角

cpp 复制代码 
class Solution {
public:
    vector<vector<int>> generate(int numRows) 
    {
        vector<vector<int>> vv(numRows);
        for(int i = 0; i < numRows; i++)
        {
            vv[i].resize(i+1, 1);
        }
    
        for(int i = 2; i < numRows; i++)
        {
            for(int j = 1; j < i; j++)
            {
                vv[i][j] = vv[i - 1][j - 1] + vv[i - 1][j];
            }
        }
        return vv;
    }
};

总结：通过上面的练习我们发现 vector 常用的接口更多是插入和遍历。遍历更喜欢用数组 operator[i] 的形式访问，因为这样便捷。

2.vector 深度剖析及模拟实现

2.1 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()
{
 	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。

2.2 动态二维数组理解

cpp 复制代码 
// 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<bit::vector<int>> 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：

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。

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