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STL中vector的用法以及模拟实现

2023-11-24 35
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简介： STL中vector的用法以及模拟实现

一、vector的介绍及使用

1、vector的介绍

vector文档

  • vector是表示可变大小数组的序列容器。
  • 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。
  • 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。
  • 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。
  • 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。
  • 与其它动态序列容器相比（deques, lists and forward_lists）， 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lists和forward_lists统一的迭代器和引用更好。

2、vector的使用

2.1 vector的定义

构造函数 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) 利用迭代器区间构造


用法：

// constructing vectors
#include <iostream>
#include <vector>
int main ()
{
  // constructors used in the same order as described above:
  std::vector<int> first; // empty vector of ints
  std::vector<int> second (4,100); // four ints with value 100
  std::vector<int> third (second.begin(),second.end()); // iterating through second
  std::vector<int> fourth (third); // a copy of third
  // 下面涉及迭代器初始化的部分，我们学习完迭代器再来看这部分
  // the iterator constructor can also be used to construct from arrays:
  int myints[] = {16,2,77,29};
  std::vector<int> fifth (myints, myints + sizeof(myints) / sizeof(int) );
  std::cout << "The contents of fifth are:";
  for (std::vector<int>::iterator it = fifth.begin(); it != fifth.end(); ++it)
    std::cout << ' ' << *it;
  std::cout << '\n';
  return 0; 
}

2.2 vector iterator 的使用


1700807702308.png

  • begin和end图示：

  • rbegin和rend图示：

  • 用法举例：
#include <iostream>
#include <vector>
using namespace std;
void PrintVector(const vector<int>& v)
{
  // const对象使用const迭代器进行遍历打印
  vector<int>::const_iterator it = v.begin();
  while (it != v.end())
  {
    cout << *it << " ";
    ++it;
  }
  cout << endl;
}
int main()
{
  // 使用push_back插入4个数据
  vector<int> v;
  v.push_back(1);
  v.push_back(2);
  v.push_back(3);
  v.push_back(4);
  // 使用迭代器进行遍历打印
  vector<int>::iterator it = v.begin();
  while (it != v.end())
  {
    cout << *it << " ";
    ++it;
    cout << endl;
    // 使用迭代器进行修改
    it = v.begin();
    while (it != v.end())
    {
      *it *= 2;
      ++it;
    }
    // 使用反向迭代器进行遍历再打印
    vector<int>::reverse_iterator rit = v.rbegin();
    while (rit != v.rend())
    {
      cout << *rit << " ";
      ++rit;
    }
    cout << endl;
    PrintVector(v);
    return 0;
  }
}


2.3 vector 空间增长问题

函数 说明
size 获取数据个数
capacity 获取容器容量
empty 判断容器是否为空

resize 改变vector的size
reserve 预留空间


值得一提的是：


  • 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，顺序表增容都是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。

2.4 vector 增删查改

1700807796608.png

用法举例：

  • push_back/pop_back
#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 it = v.begin();
  while (it != v.end()) 
  {
    cout << *it << " ";
    ++it;
  }
  cout << endl;
  v.pop_back();
  v.pop_back();
  it = v.begin();
  while (it != v.end()) 
  {
    cout << *it << " ";
    ++it;
  }
  cout << endl;
  return 0;
}


  • find / insert / erase
#include <iostream>
#include <algorithm>
#include <vector>
using namespace std;
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);
  // 在pos位置之前插入30
  v.insert(pos, 30);
  vector<int>::iterator it = v.begin();
  while (it != v.end()) 
  {
    cout << *it << " ";
    ++it;
  }
  cout << endl;
  pos = find(v.begin(), v.end(), 3);
  // 删除pos位置的数据
  v.erase(pos);
  it = v.begin();
  while (it != v.end()) 
  {
    cout << *it << " ";
    ++it;
  }
  cout << endl;
  return 0;
}


  • operator[]+index 和 C++11中vector的新式for+auto的遍历
#include <iostream>
#include <vector>
using namespace std;
int main()
{
  int a[] = { 1, 2, 3, 4 };
  vector<int> v(a, a + sizeof(a) / sizeof(int));
  // 通过[]读写第0个位置。
  v[0] = 10;
  cout << v[0] << endl;
  // 通过[i]的方式遍历vector
  for (size_t i = 0; i < v.size(); ++i)
    cout << v[i] << " ";
  cout << endl;
  vector<int> swapv;
  swapv.swap(v);
  cout << "v data:";
  for (size_t i = 0; i < v.size(); ++i)
    cout << v[i] << " ";
  cout << endl;
  cout << "swapv data:";
  for (size_t i = 0; i < swapv.size(); ++i)
    cout << swapv[i] << " ";
  cout << endl;
  // C++11支持的新式范围for遍历
  for(auto x : v)
    cout<< x << " ";
  cout<<endl;
  return 0;
}


二、vector 迭代器失效

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、ush_back等

例如：

#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;
}
  1. 指定位置元素的删除操作 ：erase
    例如：
#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。


迭代器失效解决办法：在使用前，对迭代器重新赋值即可。

三、vector深度剖析及模拟实现

1、实现代码

#pragma once
#include<iostream>
#include<assert.h>
using std::cout;
using std::endl;
namespace my_vector
{
  template<class T>
  class vector
  {
  public:
    typedef T* iterator;
    typedef const T* const_iterator;
    vector()
      :_start(nullptr)
      , _finish(nullptr)
      , _endofstoage(nullptr)
    {}
    template <class InputIterator>
    vector(InputIterator first, InputIterator last)
      : _start(nullptr)
      , _finish(nullptr)
      , _endofstoage(nullptr)
    {
      while (first != last)
      {
        push_back(*first);
        ++first;
      }
    }
    vector(size_t n, const T& val = T())
      : _start(nullptr)
      , _finish(nullptr)
      , _endofstoage(nullptr)
    {
      reserve(n);
      for (size_t i = 0; i < n; ++i)
      {
        push_back(val);
      }
    }
    vector(int n, const T& val = T())
      : _start(nullptr)
      , _finish(nullptr)
      , _endofstoage(nullptr)
    {
      reserve(n);
      for (int i = 0; i < n; ++i)
      {
        push_back(val);
      }
    }
    void swap(vector<T>& v)
    {
      std::swap(_start, v._start);
      std::swap(_finish, v._finish);
      std::swap(_endofstoage, v._endofstoage);
    }
    // 休息11：37继续
    //vector(const vector& v);
    vector(const vector<T>& v)
      : _start(nullptr)
      , _finish(nullptr)
      , _endofstoage(nullptr)
    {
      vector<T> tmp(v.begin(), v.end());
      swap(tmp);
    }
    //vector& operator=(vector v)
    vector<T>& operator=(vector<T> v)
    {
      swap(v);
      return *this;
    }
    // 资源管理
    ~vector()
    {
      if (_start)
      {
        delete[] _start;
        _start = _finish = _endofstoage = nullptr;
      }
    }
    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;
    }
    size_t capacity() const
    {
      return _endofstoage - _start;
    }
    void reserve(size_t n)
    {
      size_t sz = size();
      if (n > capacity())
      {
        T* tmp = new T[n];
        if (_start)
        {
          memcpy(tmp, _start, size()*sizeof(T));
          delete[] _start;
        }
        _start = tmp;
      }
      _finish = _start + sz;
      _endofstoage = _start + n;
    }
    //void resize(size_t n, const T& val = T())
    void resize(size_t n, T val = T())
    {
      if (n > capacity())
      {
        reserve(n);
      }
      if (n > size())
      {
        while (_finish < _start + n)
        {
          *_finish = val;
          ++_finish;
        }
      }
      else
      {
        _finish = _start + n;
      }
    }
    void push_back(const T& x)
    {
      /*if (_finish == _endofstoage)
      {
        size_t newCapacity = capacity() == 0 ? 4 : capacity() * 2;
        reserve(newCapacity);
      }
      *_finish = x;
      ++_finish;*/
      insert(end(), x);
    }
    void pop_back()
    {
      /*if (_finish > _start)
      {
        --_finish;
      }*/
      erase(end() - 1);
    }
    T& operator[](size_t pos)
    {
      assert(pos < size());
      return _start[pos];
    }
    const T& operator[](size_t pos) const
    {
      assert(pos < size());
      return _start[pos];
    }
    iterator insert(iterator pos, const T& x)
    {
      // 检查参数
      assert(pos >= _start && pos <= _finish);
      // 扩容
      // 扩容以后pos就失效了,需要更新一下
      if (_finish == _endofstoage)
      {
        size_t n = pos - _start;
        size_t newCapacity = capacity() == 0 ? 4 : capacity() * 2;
        reserve(newCapacity);
        pos = _start + n;
      }
      // 挪动数据
      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 != _finish)
      {
        *(it - 1) = *it;
        ++it;
      }
      --_finish;
      return pos;
    }
    void clear()
    {
      _finish = _start;
    }
  private:
    iterator _start;
    iterator _finish;
    iterator _endofstoage;
  };
}

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()
{
  my_vector::vector<my_vector::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即高效又不会出错，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。


  1. 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、使用模拟实现的vector实现杨辉三角中的深层次拷贝问题

3.1 vector的深层次拷贝问题

构造一个杨辉三角，打印一下并返回构造完成后的杨辉三角：

class Solution {
public:
  vector<vector<int>> generate(int numRows) {
    vector<vector<int>> vv;
    vv.resize(numRows);
    for (size_t i = 0; i < vv.size(); ++i)
    {
      // 杨辉三角，每行个数依次递增
      vv[i].resize(i + 1, 0);
      // 第一个和最后一个初始化成1
      vv[i][0] = 1;
      vv[i][vv[i].size() - 1] = 1;
    }
    for (size_t i = 0; i < vv.size(); ++i)
    {
      for (size_t j = 0; j < vv[i].size(); ++j)
      {
        if (vv[i][j] == 0)
        {
          // 中间位置等于上一行j-1 和 j个相加
          vv[i][j] = vv[i - 1][j - 1] + vv[i - 1][j];
        }
      }
    }
    for (size_t i = 0; i < vv.size(); ++i)
    {
      for (size_t j = 0; j < vv[i].size(); ++j)
      {
        cout << vv[i][j] << " ";
      }
      cout << endl;
    }
    cout << endl;
    return vv;
  }
};

接收构造完成后的杨辉三角并打印：

void test()
{
  vector<vector<int>> ret = Solution().generate(5);
  for (size_t i = 0; i < ret.size(); ++i)
  {
    for (size_t j = 0; j < ret[i].size(); ++j)
    {
      cout << ret[i][j] << " ";
    }
    cout << endl;
  }
  cout << endl;
}


结果：程序崩溃

调试可知：利用memcpy扩容，造成扩容前和扩容后杨辉三角的前四排的元素指向同一地址，发生的浅拷贝，当delete_start的时候导致tmp也被释放了。想要解决这个问题就必须使用深拷贝的方法去替代memcpy即可。

3.2 解决方法——更新reserve函数

使用深拷贝的方法去替代memcpy：

    void reserve(size_t n)
    {
      size_t sz = size();
      if (n > capacity())
      {
        T* tmp = new T[n];
        if (_start)
        {
          //memcpy(tmp, _start, size()*sizeof(T));
          for (size_t i = 0; i < size(); ++i)
          {
            tmp[i] = _start[i];
          }
          delete[] _start;
        }
        _start = tmp;
      }
      _finish = _start + sz;
      _endofstoage = _start + n;
    }

此时，问题便得到了完美的解决。


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