C++之vector容器

zzzyyy5382025-11-11 4:02

欢迎来到Deven的代码之路！

目录

1.vector的介绍及使用

1.1vector的介绍

1.2vector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)

[1.2.4 vector 增删改查](#1.2.4 vector 增删改查)

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

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。

2.指定位置元素的删除操作--erase

3.注意：Linux下，g++编译器对迭代器的失效的检测并不是非常严格，处理也没有vs下极端

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

2.vector深度剖析及模拟实现

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

1.1vector的介绍

vector的文档介绍

使用STL的三个境界：能用，明理，能扩展

1.2vector的使用

下面列出哪些接口是重点掌握的。

1.2.1 vector的定义

|---------------------------------------------------------|--------------|
| 构造函数声明 | 接口说明 |
| vector() | 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); | 拷贝构造 |
| vector(InputIterator first,InputIterator 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 | 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 | 接口说明 |
| 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。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。
  • 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 
void TestVectorExpandOP()
{
     vector<int> v;
     size_t sz=v.capacity();
     v.reserve(100);
     for(int i=0;i<100;++i)
     {
         v.push_back(i);
         if(sz != v.capacity())
         {
            sz=v.capacity();
            cout<<"capacity changed:"<<sz<<'\n';
         }
     }
}

1.2.4 vector 增删改查

|--------------|-------------------------------|
| vector增删改查 | 接口说明 |
| push_back | 尾插 |
| pop_back | 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[] | 数据访问 |

1.2.5 vector迭代器失效问题

迭代器的主要作用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>
#include <vector>
using namesapce std;

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底层原来旧空间被释放掉，而在打印时，it还使用的是释放之前的旧空间，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，若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>
#include <vector>
using namespace std;

int main()
{
    int a[]={1,2,3,4};
    vector<int> v(a,a+sizeof(a)/sizeof(int));

    //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，删除之后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。

以下代码功能是删除vector中所有的偶数，哪个代码是正确的？

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

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++编译器对迭代器的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

从上述例子可以看到：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。

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 Test()
{
    string s("hello");
    auto it=s.begin();

    //代码会崩溃，因为resize到20，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。

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()
{
   deven::vector<deven::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POD类型（普通旧数据类型），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 
//以杨辉三角的前n行为例，假设n为5
void test(size_t n)
{
    //使用vector定义二维数组vv，vv中的每个元素都是vector<int>
    deven::vector<deven::vector<int>> vv(n);

    //将二维数组每一行中的vector<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];
        }
    }
}

deven::vector<deven::vector<int>> vv(n);构造一个vv动态二维数组，vv中共有n个元素，每个元素都是vector类型的，如果n为5时如下图所示：

vv中填充完成之后，如下图所示：

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