【剖析STL】vector

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【剖析STL】vector,剖析STL,C++,c++,开发语言

vector的介绍及使用

1.1 vector的介绍

cplusplus.com/reference/vector/vector/

  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。

  1. 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。

  1. 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。

  1. 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。

  1. 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。

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

1.2vector的使用

1.2.1vector的构造函数

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**(constructor)**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, InputIterator last); 使用迭代器进行初始化构造

构造一个vector变量,以下情况都是OK的:

vector<int> v1; vector<int> v2(10, 5); // 10个5 vector<int> v3(v2.begin(), v2.end()); vector<int> v4(v2);

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1.2.2析构函数

🔥这里的析构函数,一般情况下我们不需要管,因为它会自动调用。

拷贝构造和赋值构造,vector 的拷贝构造和赋值其实就是深拷贝。

这些我们放在 vector 模拟实现的章节里详细探讨。

1.2.3push_back函数

🔥void push_back (const value_type& val);

这实际上会使size增加1,当且仅当新的vector大小超过当前vector的capacity时,才会自动重新分配分配的存储空间。

vector<int> v;
	v.push_back(1);
	v.push_back(2);
	v.push_back(3);
	v.push_back(4);

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1.2.4各种遍历方法

1.for循环遍历 2.迭代器遍历 3.范围for遍历(本质也是迭代器)

vector<int> v;
	v.push_back(1);
	v.push_back(2);
	v.push_back(3);
	v.push_back(4);
	for (size_t i = 0; i < v.size(); ++i)
	{
		cout << v[i] << " ";
	}
	cout << endl;
	vector<int>::iterator it = v.begin();
	while (it != v.end())
	{
		cout << *it << " ";
		++it;
	}
	cout << endl;
	for (auto e: v)
	{
		cout << e << " ";
	}
	cout << endl;

🔥它不止可以用vector的迭代器,只要可以进行类型转换就可以了

string s1("hello world");
	vector<int>v3(s1.begin(), s1.end());
	for (auto e : v3)
	{
		cout << e << " ";
	}
	cout << endl;

如果不要第一个和最后一个可以进行++和—

string s1("hello world");
	vector<int>v3(++s1.begin(), --s1.end());
	for (auto e : v3)
	{
		cout << e << " ";
	}
	cout << endl;

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反向迭代器

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1.2.5 vector 空间增长问题
容量空间 容量空间
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。

我们对vector默认扩容机制进行测试:

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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';
		}
	}
}

这里size、capacity和empty我就不做详细介绍了,主要介绍一下resize和reserve函数

resize函数:void resize (size_type n, value_type val = value_type());

🔥如果n小于当前容器的大小,内容会缩小到它的前n个元素,并删除后面的元素(并销毁它们)。

如果n大于当前容器的大小,则在容器末尾插入尽可能多的元素以达到n的大小。如果指定val,则新元素被初始化为val的副本,否则对它们进行值初始化。

如果n也大于当前容器容量,则会自动重新分配已分配的存储空间。

🔥注意,这个函数通过插入或删除容器中的元素来改变容器的实际内容。

我们可以用resize直接构造,出了作用域,他们会自己析构

void test_vector4()
{
	vector<int>v;
	v.resize(10, 0);

	vector<int>v2(10, 0);
}

这两种都可以开空间初始化,但是上面这种情况比较好

reserve函数:void reserve (size_type n);

1.2.6pop_back 函数

void pop_back();

删除最后一个元素

1.2.7insert 函数

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通过在指定位置的元素之前插入新元素,可以有效地增加容器的大小。

当且仅当新的向量大小超过当前向量容量时,会导致已分配的存储空间自动重新分配。

void test_vector7() {
	vector<int> v;
	v.push_back(1);
	v.push_back(2);
	v.push_back(3);
	v.push_back(4);
 
	vector<int>::iterator ret = find(v.begin(), v.end(), 3);
	if (ret != v.end()) {
		cout << "找到了" << endl;
		v.insert(ret, 30);         // 在ret位置前面插入一个30
	}
 
	for (auto e : v) cout << e << " "; cout << endl;
}

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1.2.8erase函数
iterator erase (iterator position);
iterator erase (iterator first, iterator last);

删除position位置的数据

1.2.9swap 函数

交换两个vector的数据空间

void swap (vector& x);

1.3find函数

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1.4 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。

#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;
}

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。

  1. 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。

  1. 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
[xiaolu@VM-0-3-centos 20220114]$ vim testVector.cpp
[xiaolu@VM-0-3-centos 20220114]$ g++ testVector.cpp -std=c++11
[xiaolu@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。

  1. 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
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