C++ 从入门到精通（第七篇）：vector 深度剖析及模拟实现

2022-10-30
湖南
本文字数：6588 字
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vector 深度剖析及模拟实现

vector 的介绍及使用

vector 的介绍

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

学习方法：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

vector 的使用

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

// constructing vectors#include <iostream>#include <vector>int main (){// constructors used in the same order as described above:std::vector<int> first; // empty vector of intsstd::vector<int> second (4,100); // four ints with value 100std::vector<int> third (second.begin(),second.end()); // iterating through secondstd::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;}

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vector iterator 的使用

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

#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;}

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vector 空间增长问题

size

获取数据个数

capacity

获取容量大小

empty

判断是否为空

resize（重点）

改变 vector 的 size

reserve （重点）

改变 vector 放入 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，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。

// vector::capacity#include <iostream>#include <vector>int main (){size_t sz;std::vector<int> foo;sz = foo.capacity();std::cout << "making foo grow:\n";for (int i=0; i<100; ++i) {foo.push_back(i);if (sz!=foo.capacity()) {sz = foo.capacity();std::cout << "capacity changed: " << sz << '\n';}}}vs：运行结果：making foo grow:capacity changed: 1capacity changed: 2capacity changed: 3capacity changed: 4capacity changed: 6capacity changed: 9capacity changed: 13capacity changed: 19capacity changed: 28capacity changed: 42capacity changed: 63capacity changed: 94capacity changed: 141g++运行结果：making foo grow:capacity changed: 1capacity changed: 2capacity changed: 4capacity changed: 8capacity changed: 16capacity changed: 32capacity changed: 64capacity changed: 128

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// vector::reserve#include <iostream>#include <vector>int main (){size_t sz;std::vector<int> foo;sz = foo.capacity();std::cout << "making foo grow:\n";for (int i=0; i<100; ++i) {foo.push_back(i);if (sz!=foo.capacity()) {sz = foo.capacity();std::cout << "capacity changed: " << sz << '\n';}}std::vector<int> bar;sz = bar.capacity();bar.reserve(100); // this is the only difference with foo abovestd::cout << "making bar grow:\n";for (int i=0; i<100; ++i) {bar.push_back(i);if (sz!=bar.capacity()) {sz = bar.capacity();std::cout << "capacity changed: " << sz << '\n';}}return 0;}

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vector 增删查改

push_back（重点）

尾插

pop_back （重点）

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[] （重点）

像数组一样访问

// 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;}

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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：

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

#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;}

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指定位置元素的删除操作--erase

#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iteratorvector<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;}

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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。

vector 模拟实现

模拟实现

#include<iostream>#include<vector>#include<algorithm>using namespace std;namespace ymh{  template<class T>  class vector {  public:    typedef  T iterator;    vector()      :_start(nullptr),      _finish(nullptr),      _endofstorage(nullptr)    {}    //迭代器构造    template <class InputIterator>    //迭代器构造    vector(InputIterator first, InputIterator end)      :_start(nullptr),      _finish(nullptr),      _endofstorage(nullptr)    {      while (first != end)      {        push_back(*first);        first++;      }    }    //拷贝构造    vector(const vector& v)      :_start(nullptr),      _finish(nullptr),      _endofstorage(nullptr)    {      //swap(this,v);  假如传的是const的对象 ， 就交换不了了
      _start = new T[v.capacity()];      _finish = _start + v.size();      _endofstorage = _start + v.capacity();
      //赋值
      //memcpy(_start, v._start, sizeof(T) * v.size());  不能这样写， 会有深拷贝中的浅拷贝危险（会释放堆里的空间）      for (size_t i = 0; i < v.size(); i++)         {        _start[i] = v._start[i];      }    }
    //交换    void swap(vector& v)    {      ::swap(_start, v._start);      ::swap(_finish, v._finish);      ::swap(_endofstorage, v._endofstorage);    }
    //运算符重载    vector<T>& operator =(vector<T> v)    {      swap(v);      return *this;    }
    //析构函数    ~vector()    {      if (_start)      {        delete[] _start;      }      _start = _finish = _endofstorage = nullptr;    }
    //迭代器    iterator begin()    {      return _start;    }
    iterator end()    {      return _finish;    }
    const_iterator begin() const    {      return _start;    }
    const_iterator end() const    {      return _finish;    }
    //内存    size_t capacity() const    {      return _endofstorage - _start;    }
    size_t size() const    {      return _finish - _start;    }
    bool empty() const    {      return _finish == _start;    }
    //[]重载    T& operator [](size_t i)    {      //记得断言      assert(i < size());
      return _start[i];      }
    //resize    void resize(size_t n, T t=T())    {      if (n < size())      {        _finish = _start + n;      }      else      {        if (n > capacity())        {          reserve(n);        }
        while (_finish < _start + n)        {          *_finish = t;          _finish++;        }      }    }
    //reserve    void reserve(size_t n)    {      // n<capacity 不用变化
      if (n > capacity()) //扩容      {        size_t sz = size();        T* tem = new T[n];
        if (_start != nullptr)        {          //memcpy(tmp, _start, sz*sizeof(T)); 还是一样的问题，不能用memcpy          for (size_t i = 0; i < sz; i++)          {            tem[i] = _start[i]; //如果是类，就会去调用类的构造函数，就不存在 浅拷贝 了          }
          //记得delete之前的内存          delete[] _start;        }        _start = tem;        _finish = _start + sz;        _endofstorage = _start + n;      }    }
    void push_back(T& t)    {      if (_finish == _endofstorage)      {        size_t new_capacity = capacity() == 0 ? 4 : capacity() * 2;        reserev(new_capacity);      }
      *_finish = t;      _finish++:    }
    void pop_back()    {      assert(!empty());
      _finish--;    }
    void insert(iterator pos,const T& t)    {      if (_finish == _endofstorage)      {        size_t len = pos - _start; //在vector中的相对位置        size_t new_capacity = capacity() == 0 ? 4 : capacity() * 2;        reserve(new_capacity);
        pos = _start + len;      }      while (pos + 1 <= _finish)      {        *(pos + 1) = *pos;        pos++;      }      *(_start + len) = t;      _finish++;    }
    iterator erase(iterator pos)    {      iterator it = pos + 1;      while (it < _finish)      {        *(it - 1) = *it;        it++;      }      _finish--;
      return pos;    }  private:    iterator _start;    iterator _finish;    iterator _endofstorage;  };}

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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(){bite::vector<bite::string> v;v.push_back("1111");v.push_back("2222");v.push_back("3333");return 0;}

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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。比

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。

动态二维数组理解

// 以杨慧三角的前n行为例：假设n为5void test5(size_t n){  // 使用vector定义二维数组vv，vv中的每个元素都是vector<int>  cole::vector<cole::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];    }  }}

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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。

ps

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原文链接:【http://xie.infoq.cn/article/d8759786a8df88871f5ef0452】。未经作者许可，禁止转载。

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