【C++】vector的介绍与使用-Toy模板网

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🏆前言

🌀 前面对STL进行了介绍【戳此了解STL】，本章就给大家带来STL当中的vector~
🌀 vector在C++里也是非常常用的，它相当于C语言当中的数组，但是比数组多了更多实用的操作，数组有的它有，数组没有的它也有，所以说，学习vector可以使我们能够更好的对以一个序列(连续)存储的数据进行操作~
🌀能够熟练的使用vector，可以很大程度上提高写算法题的效率，有许多的困难算法题，都需要对一串连续储存的数据进行操作，这时候vector以及它里面的方法就是个杀手锏了~

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的介绍

vector的文档介绍

在C++中，vector是一种动态数组，它提供了对数组的抽象管理，包括动态调整大小、随机访问等。vector是C++标准库中的一部分，它提供了一个高效的、可预测的、可扩展的方式来存储和访问一组连续的数据。

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（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。

vector的主要特点包括：

动态大小：vector的大小是动态的，可以根据需要增加或减少元素。你可以使用push_back()函数添加元素，使用erase()函数删除元素，或者直接使用resize()函数调整其大小。
随机访问：vector支持随机访问，你可以使用索引操作符[]直接访问任意位置的元素。
内存管理：vector自动管理其内存。当你向vector添加元素时，它会自动分配足够的内存以容纳新元素。当删除元素时，它会自动回收相应的内存。
插入和删除：vector提供了插入和删除元素的方法，如push_back()、pop_back()、insert()和erase()等。这些方法可以在指定的位置插入或删除元素，保持vector的连续性。
迭代器：vector提供了迭代器，可以遍历其所有元素。迭代器提供了访问每个元素的有效方式，并支持向前和向后遍历。
高效的随机访问：由于vector内部使用连续的内存空间来存储元素，因此随机访问非常高效。在大多数情况下，使用索引访问vector中的元素比使用迭代器遍历整个vector更快。
可修改的容量：你可以使用resize()函数来更改vector的容量。这允许你在运行时根据需要增加或减少存储空间的大小。
支持常量引用语义：对于包含常量元素的vector，可以使用常量引用语义来访问和修改元素。这有助于提高代码的可读性和安全性。
支持异常安全：C++的vector类型在某些操作中提供了异常安全的保证。例如，在执行push_back()或insert()操作时，如果发生异常，vector将保留其原始状态。这有助于防止在异常情况下破坏数据完整性。

此外，C++的vector是一个模板类【戳此了解模板】，这意味着它可以根据需要为不同的数据类型提供不同的实现。模板是一种C++的编程技术，允许程序员编写可以处理不同数据类型的通用代码。通过使用模板，可以创建可重用的组件，从而提高代码的可重用性和灵活性。

在C++中，vector的模板声明如下：

template <class T>  
class vector {  
    // vector implementation details  
};

这里，T是一个模板参数，表示vector可以容纳的任意数据类型。当创建vector对象时，需要指定模板参数，即要存储在vector中的数据类型。例如，要创建一个整数类型的vector，可以这样声明：

std::vector<int> myVector;

在这个例子中，int是模板参数，表示vector将容纳整数类型的数据。类似的，你也可以使用其他数据类型，如浮点数、字符串等。

由于vector是一个模板类，它提供了针对不同数据类型的成员函数和操作。例如，push_back()函数可以添加元素到vector的末尾，对于整数、浮点数、字符串等不同类型的vector都适用。类似地，vector也可以提供用于访问、修改和删除元素的成员函数，如at(), front(), back(), erase()等。

通过使用模板，vector提供了一种通用的、可扩展的方式来存储和操作一组连续的元素。这种灵活性使得vector成为C++标准库中非常有用的容器之一，适用于各种不同的编程场景。

🧑‍🎓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。

☑️vector的定义

【C++】vector的介绍与使用,C++,c++,开发语言,vector,容器,vector的介绍与使用

int TestVector1()
{
    // constructors used in the same order as described above:
    vector<int> first;                                // empty vector of ints
    vector<int> second(4, 100);                       // four ints with value 100
    vector<int> third(second.begin(), second.end());  // iterating through second
    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 };
    vector<int> fifth(myints, myints + sizeof(myints) / sizeof(int));

    cout << "The contents of fifth are:";
    for (vector<int>::iterator it = fifth.begin(); it != fifth.end(); ++it)
        cout << ' ' << *it;
    cout << '\n';

    return 0;
}

☑️vector iterator 的使用

【C++】vector的介绍与使用,C++,c++,开发语言,vector,容器,vector的介绍与使用

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;
}

☑️vector 空间增长问题

【C++】vector的介绍与使用,C++,c++,开发语言,vector,容器,vector的介绍与使用

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: 141

g++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';
		 }
	 }
}


//  vector的resize 和 reserve

// reisze(size_t n, const T& data = T())
// 将有效元素个数设置为n个，如果时增多时，增多的元素使用data进行填充
// 注意：resize在增多元素个数时可能会扩容
void TestVector3()
{
	vector<int> v;

	// set some initial content:
	for (int i = 1; i < 10; i++)
		v.push_back(i);

	v.resize(5);
	v.resize(8, 100);
	v.resize(12);

	cout << "v contains:";
	for (size_t i = 0; i < v.size(); i++)
		cout << ' ' << v[i];
	cout << endl;
}

☑️vector 增删查改

【C++】vector的介绍与使用,C++,c++,开发语言,vector,容器,vector的介绍与使用

// 尾插和尾删：push_back/pop_back
void TestVector4()
{
	vector<int> v;
	v.push_back(1);
	v.push_back(2);
	v.push_back(3);
	v.push_back(4);

	auto 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;
}

// 任意位置插入：insert和erase，以及查找find
// 注意find不是vector自身提供的方法，是STL提供的算法
void TestVector5()
{
	// 使用列表方式初始化，C++11新语法
	vector<int> v{ 1, 2, 3, 4 };

	// 在指定位置前插入值为val的元素，比如：3之前插入30,如果没有则不插入
	// 1. 先使用find查找3所在位置
	// 注意：vector没有提供find方法，如果要查找只能使用STL提供的全局find
	auto pos = find(v.begin(), v.end(), 3);
	if (pos != v.end())
	{
		// 2. 在pos位置之前插入30
		v.insert(pos, 30);
	}

	vector<int>::iterator it = v.begin();
	while (it != v.end()) 
	{
		cout << *it << " ";
		++it;
	}
	cout << endl;

	pos = find(v.begin(), v.end(), 3);
	// 删除pos位置的数据
	v.erase(pos);

	it = v.begin();
	while (it != v.end()) {
		cout << *it << " ";
		++it;
	}
	cout << endl;
}

/   遍历方式

// operator[]+index 和 C++11中vector的新式for+auto的遍历
// vector使用这两种遍历方式是比较便捷的。
void TestVector6()
{
	vector<int> v{ 1, 2, 3, 4 };

	// 通过[]读写第0个位置。
	v[0] = 10;
	cout << v[0] << endl;

	// 1. 使用for+[]小标方式遍历
	for (size_t i = 0; i < v.size(); ++i)
		cout << v[i] << " ";
	cout << endl;

	vector<int> swapv;
	swapv.swap(v);

	cout << "v data:";
	for (size_t i = 0; i < v.size(); ++i)
		cout << v[i] << " ";
	cout << endl;

	// 2. 使用迭代器遍历
	cout << "swapv data:";
	auto it = swapv.begin();
	while (it != swapv.end())
	{
		cout << *it << " ";
		++it;
	}

	// 3. 使用范围for遍历
	for (auto x : v)
		cout << x << " ";
	cout << endl;
}

☑️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;
}

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。

思考：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;
}

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
[=============linux=========]$ vim testVector.cpp
[=============linux=========]$ g++ testVector.cpp -std=c++11
[=============linux=========]$ ./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。

☑️小试牛刀

😊杨辉三角
😊只出现一次的数字
😊删除有序数组中的重复项
😊只出现一次的数字 II
😊只出现一次的数字 III
😊数组中出现次数超过一半的数字
😊电话号码的字母组合

🏆写在最后

💝本章主要是给大家介绍vector~ 在C++中，vector是一个非常重要的数据结构。它具有动态大小、随机访问、内存管理、插入和删除、迭代器等优点。它是一种通用的、可扩展的容器，适用于各种不同的编程场景。学习和掌握vector的使用对于编写高效的C++程序非常重要。因此，大家可要好好敲噢~😊

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