系统性学习C++-第八讲-vector类

1. vector 的介绍及使用

1.1 vector 的介绍

vector 的文档介绍

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

1.2 vector 的使用

vector 学习时一定要学会查看文档：vector的文档介绍，vector 在实际中非常的重要，在实际中我们熟悉常见的接口就可以，

下面列出了哪些接口是要重点掌握的。

1.2.1 vector 的定义

contructor 构造函数声明	接口说明
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, Inputlterator 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 （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

1.2.3 vector 空间增长问题

容量空间	接口数量
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。
  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。

• resize 在开空间的同时还会进行初始化，影响 size 。

// 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: 141g++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

// 如果已经确定vector中要存储元素大概个数，可以提前将空间设置足够
// 就可以避免边插入边扩容导致效率低下的问题了
void TestVectorExpandOP()
{vector<int> v;size_t sz = v.capacity();v.reserve(100); // 提前将容量设置好，可以避免一遍插入一遍扩容cout << "making bar 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';}}
}

1.2.3 vector 增删查改

vector 增删查改	接口说明
push_back	尾插
pop_back	尾删
find	查找（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[]	像数组一样访问

1.2.4 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：

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。

#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;
}

2. 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;
}

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。

以下代码的功能是删除 vector 中所有的偶数，请问那个代码是正确的，为什么？

#include <iostream>
using namespace std;
#include <vector>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++ 编译器对迭代器失效的检测并不是非常严格，处理也没有 vs 下极端。

// 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

从上述三个例子中可以看到：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，肯定会崩溃的。

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

#include <string>
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。

1.2.5 vector 在 OJ 中的使用

杨辉三角

class Solution {
public:vector<vector<int>> generate(int numRows) {vector<vector<int>> vv(numRows);for(int i = 0; i < numRows; i++){vv[i].resize(i+1, 1);}for(int i = 2; i < numRows; i++){for(int j = 1; j < i; j++){vv[i][j] = vv[i - 1][j - 1] + vv[i - 1][j];}}return vv;}
};

总结：通过上面的练习我们发现 vector 常用的接口更多是插入和遍历。遍历更喜欢用数组 operator[i] 的形式访问，因为这样便捷。

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？\

int main()
{bite::vector<bite::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 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，

否则可能会引起内存泄漏甚至程序崩溃。

2.2 动态二维数组理解

// 以杨慧三角的前n行为例：假设n为5
void test2vector(size_t n)
{// 使用vector定义二维数组vv，vv中的每个元素都是vector<int>bit::vector<bit::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1for (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];}}
}

bit::vector<bit::vector<int>> vv(n); 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。