【C++进阶】深入STL之vector:深入研究迭代器失效及拷贝问题

简介: 【C++进阶】深入STL之vector:深入研究迭代器失效及拷贝问题

前言:在C++的STL(Standard Template Library)库中,vector容器无疑是最常用且功能强大的数据结构之一。它提供了动态数组的功能,允许我们在运行时动态地增加或减少元素。然而,随着我们对vector的深入使用,一些潜在的问题也逐渐浮现,其中最为常见和棘手的就是迭代器失效以及拷贝问题 (关于初始insert和erase的模拟实现在本篇末尾)


注意:我们使用的函数是上一篇模拟实现的函数

📒1. 迭代器失效

迭代器失效是指在使用迭代器遍历或操作vector容器时,由于某些操作导致迭代器失效,无法再正确引用容器中的元素。 这种情况往往发生在vector容器进行扩容、插入或删除元素等操作时。迭代器失效可能导致程序出现未定义行为,甚至崩溃。

因此:深入理解vector迭代器失效的原因和场景,对于编写健壮、可靠的C++代码至关重要。


🌈插入时失效

代码示例:(插入)

void test_vector()
{
  vector<int> v1; // 创建一个vector插入4个元素
  v1.push_back(1);
  v1.push_back(2);
  v1.push_back(3);
  v1.push_back(4);
  vector<int>::iterator it = find(v1.begin(), v1.end(), 1);
  v1.insert(it, 2); // 然后我们再来插入两个元素
  v1.insert(it, 3); 
  for (auto e : v1)
  {
    cout << e << " ";
  }
  cout << endl;
}

哎呀,怎么程序出错了?

扩容前:迭代器pos在_start和_finish之间

扩容后:start和finish的地址改变,pos不再指向vector区域的位置

迭代器失效: 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


🌞删除时失效

erase也会造成迭代器失效

代码示例:(删除)

void test_vector()
{
  vector<int> v;
  v.push_back(1);
  v.push_back(2);
  v.push_back(3);
  v.push_back(4);
  v.push_back(5);
  v.push_back(6);
  auto it = v.begin();
  while (it != v.end())
  {
    if (*it % 2 == 0) v.erase(it);
    ++it;
  }
}

此段代码依然会出现错误,我们可以画图来理解:

erase删除元素后,会进行数据的挪动,我们自己也对迭代器进行了++,导致最后it指向了vector有效范围之外

注意:在vs中,使用erase函数,因为vs对迭代器进行了封装,编译器自动认为此位置迭代器失效


📕2. 解决迭代器失效

迭代器失效解决办法:在使用前,对迭代器重新赋值即可


🍂在插入时失效

这种情景是因为在插入一次元素时,进行了扩容,导致pos位置不对,因此我们只需要不用当前pos迭代器,而是将pos指向进行更新,但是这样做依然解决不了迭代器失效,我们参考库里面,是将insertvoid变成iterator 类型,将迭代器返回给it重新赋值即可

iterator insert(iterator pos, const T& x)
{ 
  assert(pos <= _finish);
  assert(pos >= _start);
  if (_finish == _end_of_storage)
  {
    size_t len = pos - _start; // 在扩容时, 我们保留下pos和_start的相对位置
    reserve(capacity() == 0 ? 4 : capacity() * 2);
    pos = _start + len; // 在扩容结束后,将pos恢复回来
    // 虽然我们进行了此处操作当时依然不能避免迭代器失效
  }
  iterator end = _finish - 1;
  while (end >= pos)
  {
    *(end + 1) = *end;
    end--;
  }
  *pos = x;
  _finish++;
  return pos; // 返回迭代器在重新赋值
}

🍁在删除时失效

解决删除时的迭代器失效,我们只需要更改代码,让它删除后不用再++迭代器,或者没删除的时候再++,但是这样治标不治本,因此我们选择效仿库里面,返回迭代器,将迭代器返回给it重新赋值即可


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

  iterator it = pos + 1;
  while (it < _finish)
  {
    *(it - 1) = *it;
    it++;
  }
    _finish--;
    return pos;
}

void test_vector()
{
  vector<int> v;
  v.push_back(1);
  v.push_back(2);
  v.push_back(3);
  v.push_back(4);
  v.push_back(5);
  v.push_back(6);
  auto it = v.begin();
  while (it != v.end())
  {
    if (*it % 2 == 0) it = v.erase(it);
    else ++it;
  }
}

迭代器失效解决办法:在使用前,对迭代器重新赋值即可


📜3. vector的拷贝问题

vector的拷贝问题也是我们在实际编程中经常需要面对的挑战。拷贝操作在C++中非常常见,无论是函数参数的传递、对象的赋值还是容器之间的交互,都可能涉及到拷贝操作。然而,对于vector这样的动态容器,拷贝操作可能会带来性能上的开销,尤其是浅拷贝和深拷贝的问题,容易给我们带来困扰


🎩浅拷贝

由于我们在模拟实现时,用的都是memcpy来拷贝元素,操作不慎就会引发浅拷贝问题

  • 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。
// memcpy(tmp, _start, sizeof(T) * sz); 拷贝元素

void test_vector()
{
  vector<string> v1;
  v1.push_back("aaaaaaaaaaaaaa");
  v1.push_back("bbbbbbbbbbbbbb");
  v1.push_back("cccccccccccccc");
  v1.push_back("dddddddddddddd");
  v1.push_back("dddddddddddddd");
  v1.push_back("eeeeeeeeeeeeee"); // 此处需要扩容 
  for (auto e : v1)
  {
    cout << e << " ";
  }
}

memcpy会带来浅拷贝的隐患,因此我们用另外一种方法来进行拷贝

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。



🎈深拷贝

我们可以用for循环将memcpy进行替换来避免浅拷贝,造成程序崩溃

void push_back(const T& x)
{
  if (_finish == _end_of_storage)
  {
    reserve(capacity() == 0 ? 4 : capacity() * 2);
    size_t sz = size();
    size_t cp = capacity();
    T* tmp = new T[cp];

    //memcpy(tmp, _start, sizeof(T) * sz);
    // 用for循环进行深拷贝
    for (size_t i = 0; i < sz; i++)
    {
      tmp[i] = _start[i];
    }
    delete[] _start;

    _start = tmp;
    _finish = _start + sz;
    _end_of_storage = _start + cp;
  }
  *_finish = x;
  _finish++;
}

📖4. 总结补充

💧补充:insert和erase的模拟实现(优化前)

void insert(iterator pos, const T& x)
{ 
  assert(pos <= _finish);
  assert(pos >= _start);
  
  if (_finish == _end_of_storage)
  {
    reserve(capacity() == 0 ? 4 : capacity() * 2);
  }
  iterator end = _finish - 1;
  while (end >= pos)
  {
    *(end + 1) = *end;
    end--;
  }
  *pos = x;
  _finish++;
}

void erase(iterator pos)
{
  assert(pos >= _start);
  assert(pos < _finish);
  
  iterator it = pos + 1;
  while (it < _finish)
  {
    *(it-1) = *it;
    it++;
  }
  _finish--;
}

🔥总结

在深入探讨STL中vector的迭代器失效和拷贝问题后,我们不难发现,这些问题虽然常见,但理解其背后的原理并采取相应的措施,可以有效避免它们带来的潜在风险

  • 对于迭代器失效,我们了解到它通常发生在vector进行扩容、插入或删除元素等操作时。为了避免迭代器失效,我们需要时刻注意迭代器的有效性和生命周期,确保在操作过程中不会意外地修改或销毁迭代器所指向的对象。此外,了解vector扩容的时机和机制,也可以帮助我们预测和避免潜在的迭代器失效问题
  • 而对于拷贝问题,我们认识到vector的拷贝操作可能会带来性能上的开销,以及造成程序崩溃的结果。为了减少这些开销,我们可以考虑使用移动语义、避免不必要的拷贝以及优化拷贝策略等方法。同时,了解不同拷贝方式的优缺点和适用场景,可以帮助我们更加明智地选择适当的拷贝方式


我们希望能够为大家提供关于vector迭代器失效和拷贝问题的深入理解,并引导他们采取正确的措施来避免这些问题。然而,学习是一个永无止境的过程。随着C++语言的不断发展和STL库的更新迭代,我们可能会发现更多关于vector的新特性和最佳实践。 因此,我们希望大家继续深入学习C++和STL的相关知识,不断提高自己的编程能力和代码质量

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