C++ vector类的使用

1.vector的介绍及使用

1.1 vector的介绍

vector的文档介绍
1. vector是表示可变大小数组的序列容器。
2. 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。
3. 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。
4. 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。
5. 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。
6. 与其它动态序列容器相比（deque, list and forward_list）， 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list和forward_list统一的迭代器和引用更好。

1.2 vector的使用

根据大致的介绍和对string的了解，可以大致使用以下vector

void test_vector1()
{//注意：vector使用的类模板，需要进行显示调用vector<int> v1;v1.push_back(1);v1.push_back(2);v1.push_back(3);v1.push_back(4);v1.push_back(5);//遍历顺序表//1.迭代器vector<int>::iterator it = v1.begin();while (it != v1.end()){cout << *it << "->";++it;}cout << endl;//2.范围forfor (auto element : v1){cout << element << "->";}cout << endl;//3.[ ]访问下标for (size_t i = 0; i < v1.size(); i++){cout << v1[i] << "->";}cout << endl;
}

感觉大致的使用下来好像vector可以替换string了，但是实则不然，
(1)string要求在最后又'\0'，而vector'\0'要手动去实现，而string是自动添加
(2)string还有很多他自己的专门的接口函数，比如比较两个字符串的大小，而vector则没有

1.2.1vector的构造

函数构造声明                                                                                      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);                                                            （重点） 拷贝构造
template<class InputIterator>
vector(InputIterator first, InputIterator last);                      使用不同类型的迭代器进行初始化构造

测试

void test_vector2()
{//int类型初始化10个1vector<int> v1(10, 1);//打印遍历for (auto element1 : v1){cout << element1 << "->";}cout << endl;//string类型初始化十个I Love Youvector<string> v2(10, "I Love You");vector<string>::iterator it = v2.begin();while (it != v2.end()){cout << *it << "->";++it;}cout << endl;//使用v1的int类型进行初始化vector<int> v3(v1.begin(), v1.end());//打印遍历for (auto element3 : v3){cout << element3 << "->";}cout << endl;//使用v2的string类型进行初始化vector<string> v4(v2.begin(), v2.end());//打印遍历for (auto element4 : v4){cout << element4 << "->";}cout << endl;//还可以使用数组指针进行初始化，相当于就是迭代器int a[] = { 12,45,78,14 };vector<int> v5(a, a + sizeof(a) / sizeof(a[0]));for (auto element5 : v5){cout << element5 << "->";}cout << endl;
}

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

在STL中，算法和容器时分离的，那他们靠什么链接呢,靠的就是迭代器链接他们两个

例如：

void test_vector3()
{//迭代器链接stl的算法和容器//使用数组指针进行初始化，然后对它进行排序int a[] = { 12,45,78,14 };vector<int> v1(a, a + sizeof(a) / sizeof(a[0]));cout << "排序前" << endl;for (auto element1 : v1){cout << element1 << "->";}cout << endl;//sort就是排序(默认升序）cout << "排序后" << endl;sort(v1.begin(), v1.end());for (auto element2 : v1){cout << element2 << "->";}cout << endl;//降序cout << "排序后" << endl;sort(v1.begin(), v1.end(), greater<int>());//传greater的匿名对象for (auto element2 : v1){cout << element2 << "->";}cout << endl;
}

注意：sort时排序的函数，相当于c语言中的qsort

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（常见）              改变vector的size
reserve （常见）          改变vector的capacity

注意：
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,reserve不会改变size
resize在开空间的同时还会进行初始化，影响size。

void test_vector4()
{vector<int> v1;cout << v1.max_size() << endl;//扩容+访问+修改(resize）v1.resize(10);for (size_t i = 0; i < v1.size(); i++){v1[i] = i;}for (auto element1: v1){cout << element1 << "->";}cout << endl;//扩容+访问+修改(reserve）vector<int> v2;v2.reserve(10);for (size_t i = 0; i < v2.size(); i++){v2.push_back(i);//通过push_back将size涨上去}for (auto element1 : v1){cout << element1 << "->";}cout << endl;//at越界抛异常vector<int> v3;v3.push_back(1);cout << v3.at(0) << endl;cout << v3.at(100) << endl;
}

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';}}
}
int main()
{TestVectorExpand();return 0;
}

vector扩容测试的结果（vs2022下）

1.2.3 vector 增删查改

vector增删查改                                     接口说明
push_back（常见）                                 尾插
pop_back （常见）                                  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[]（常见）                          像数组一样访问

注：算法中的find

注意：vector没有提供头插头删，其需要挪动数据，效率太低，成本太高，但是可以使用insert进行头插头删

void test_vector5()
{int a[] = { 12,98,78,328,678,4,1, 3 };vector<int> v1(a, a + sizeof(a) / sizeof(a[0]));//头删v1.erase(v1.begin());//头插v1.insert(v1.begin(), 100);for (auto element1 : v1){cout << element1 << "->";}cout << endl;//删除第三个位置的数据(注意是+2）v1.erase(v1.begin() + 2);for (auto element2 : v1){cout << element2 << "->";}cout << endl;//想删除3，但不知道3在哪里(find(算法中的find）+erase)vector<int>::iterator pos = find(v1.begin(), v1.end(), 3);if (pos != v1.end())//找不到就返回last,也就是这里给的v1.end(){v1.erase(pos);}for (auto element3 : v1){cout << element3 << "->";}cout << endl;//如果有很多个3，要全部删除3--涉及迭代器失效的问题int array[] = { 1,4,57,33,3,45,3,65,3,68,3 };vector<int> v2(array, array + sizeof(array) / sizeof(array[0]));vector<int>::iterator pos1 = find(v2.begin(), v2.end(), 3);//写成while循环while (pos1 != v2.end()){v2.erase(pos1);pos1 = find(v2.begin(), v2.end(), 3);//这样效率很低}for (auto element4 : v2){cout << element4 << "->";}cout << endl;
}

1.2.4 vector 迭代器失效问题

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

void test_vector6()
{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;
}

2. 指定位置元素的删除操作--erase

void test_vector7()
{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
}

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。

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

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