vector的使用及模拟实现

目录

一.vector的介绍及使用

1.vector的介绍

2.vector的使用

1.vector的定义

 2.vector iterator的使用

3. vector 空间增长问题

4.vector 增删查改

3.vector 迭代器失效问题(重点)

1. 会引起其底层空间改变的操作

2.指定位置元素的删除操作--erase

3. Linux下,g++编译器对迭代器的处理情况。

二.vector深度剖析及模拟实现

1.std::vector的核心框架接口的模拟实现

2. 使用memcpy拷贝问题

3.动态二维数组理解



一.vector的介绍及使用

1.vector的介绍

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。

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了。

1.vector的定义

 2.vector iterator的使用

 

 注意:所有的迭代器区间都是左闭右开,且不光可以传vector的迭代器,还可以传其他类型的迭代器,只要类型可以匹配。

下面是代码演示

void Print(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;
}

3. vector 空间增长问题

 

1.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。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。
2.resize在开空间的同时还会进行初始化,影响size
3.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。
// 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 TestVector()
{
     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';
     }
     }
}

 通过测试发现提前开好了空间,capacity已经变成了100。

4.vector 增删查改

 重要的函数接口参数

void push_back (const value_type& val);

void pop_back();

template <class InputIterator, class T>   
InputIterator find (InputIterator first, InputIterator last, const T& val);

iterator insert (iterator position, const value_type& val);
void insert (iterator position, size_type n, const value_type& val);

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

3.vector 迭代器失效问题(重点)

迭代器的使用特别广泛,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)。

1. 会引起其底层空间改变的操作

比如:resize、reserve、insert、assign、push_back等,都有可能造成迭代器失效

#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);
  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。

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。

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);    //返回一个迭代器,指向删除数据的下一个位置
 else
 ++it;
 }
 return 0;
}

第一个代码是错误的,会造成迭代器失效,且其删除逻辑是不对的。以上面的代码为例,当程序删除“2”以后,pos位置会变成“3”,然后it++,迭代器就指向了4,就错过了对3的判断,且最后一个是偶数4,删除以后,迭代器会超过_finish,导致it永远不会==v.end()。

3. Linux下,g++编译器对迭代器的处理情况。

// 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};
 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;
}
输出:
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;
}

从上述三个例子中可以看到: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,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。

迭代器失效解决办法:在使用前,对迭代器重新赋值即可。

二.vector深度剖析及模拟实现

 

1.std::vector的核心框架接口的模拟实现

#pragma once

#include <iostream>
using namespace std;
#include <assert.h>


namespace Kevin
{
	template<class T>
	class vector
	{
	public:
		// Vector的迭代器是一个原生指针
		typedef T* iterator;
		typedef const T* const_iterator;

		///
		// 构造和销毁
		vector()
			: _start(nullptr)
			, _finish(nullptr)
			, _endOfStorage(nullptr)
		{}

		vector(size_t n, const T& value = T())
			: _start(nullptr)
			, _finish(nullptr)
			, _endOfStorage(nullptr)
		{
			reserve(n);
			while (n--)
			{
				push_back(value);
			}
		}

		/*
		* 理论上将,提供了vector(size_t n, const T& value = T())之后
		* vector(int n, const T& value = T())就不需要提供了,但是对于:
		* vector<int> v(10, 5);
		* 编译器在编译时,认为T已经被实例化为int,而10和5编译器会默认其为int类型
		* 就不会走vector(size_t n, const T& value = T())这个构造方法,
		* 最终选择的是:vector(InputIterator first, InputIterator last)
		* 因为编译器觉得区间构造两个参数类型一致,因此编译器就会将InputIterator实例化为int
		* 但是10和5根本不是一个区间,编译时就报错了
		* 故需要增加该构造方法
		*/
		vector(int n, const T& value = T())
			: _start(new T[n])
			, _finish(_start+n)
			, _endOfStorage(_finish)
		{
			for (int i = 0; i < n; ++i)
			{
				_start[i] = value;
			}
		}

		// 若使用iterator做迭代器,会导致初始化的迭代器区间[first,last)只能是vector的迭代器
		// 重新声明迭代器,迭代器区间[first,last)可以是任意容器的迭代器
		template<class InputIterator>
		vector(InputIterator first, InputIterator last)
		{
			while (first != last)
			{
				push_back(*first);
				++first;
			}
		}

		vector(const vector<T>& v)
			: _start(nullptr)
			, _finish(nullptr)
			, _endOfStorage(nullptr)
		{
			reserve(v.capacity());
			iterator it = begin();
			const_iterator vit = v.cbegin();
			while (vit != v.cend())
			{
				*it++ = *vit++;
			}
			_finish = it;
		}

		vector<T>& operator=(vector<T> v)
		{
			swap(v);
			return *this;
		}

		~vector()
		{
			if (_start)
			{
				delete[] _start;
				_start = _finish = _endOfStorage = nullptr;
			}
		}

		/
		// 迭代器相关
		iterator begin()
		{
			return _start;
		}

		iterator end()
		{
			return _finish;
		}

		const_iterator cbegin() const
		{
			return _start;
		}

		const_iterator cend() const
		{
			return _finish;
		}

		//
		// 容量相关
		size_t size() const 
		{ 
			return _finish - _start; 
		}

		size_t capacity() const 
		{ 
			return _endOfStorage - _start; 
		}

		bool empty() const 
		{ 
			return _start == _finish; 
		}

		void reserve(size_t n)
		{
			if (n > capacity())
			{
				size_t oldSize = size();
				// 1. 开辟新空间
				T* tmp = new T[n];

				// 2. 拷贝元素
		        // 这里直接使用memcpy会有问题吗?同学们思考下
		        //if (_start)
		        //	memcpy(tmp, _start, sizeof(T)*size);

				if (_start)
				{
					for (size_t i = 0; i < oldSize; ++i)
						tmp[i] = _start[i];

					// 3. 释放旧空间
					delete[] _start;
				}

				_start = tmp;
				_finish = _start + oldSize;
				_endOfStorage = _start + n;
			}
		}

		void resize(size_t n, const T& value = T())
		{
			// 1.如果n小于当前的size,则数据个数缩小到n
			if (n <= size())
			{
				_finish = _start + n;
				return;
			}

			// 2.空间不够则增容
			if (n > capacity())
				reserve(n);

			// 3.将size扩大到n
			iterator it = _finish;
			_finish = _start + n;
			while (it != _finish)
			{
				*it = value;
				++it;
			}
		}

		///
		// 元素访问
		T& operator[](size_t pos) 
		{ 
			assert(pos < size());
			return _start[pos]; 
		}

		const T& operator[](size_t pos)const 
		{ 
			assert(pos < size());
			return _start[pos]; 
		}

		T& front()
		{
			return *_start;
		}

		const T& front()const
		{
			return *_start;
		}

		T& back()
		{
			return *(_finish - 1);
		}

		const T& back()const
		{
			return *(_finish - 1);
		}
		/
		// vector的修改操作
		void push_back(const T& x) 
		{ 
			insert(end(), x); 
		}

		void pop_back() 
		{ 
			erase(end() - 1); 
		}

		void swap(vector<T>& v)
		{
			std::swap(_start, v._start);
			std::swap(_finish, v._finish);
			std::swap(_endOfStorage, v._endOfStorage);
		}

		iterator insert(iterator pos, const T& x)
		{
			assert(pos <= _finish);

			// 空间不够先进行增容
			if (_finish == _endOfStorage)
			{
				//size_t size = size();
				size_t newCapacity = (0 == capacity()) ? 1 : capacity() * 2;
				reserve(newCapacity);

				// 如果发生了增容,需要重置pos
				pos = _start + size();
			}

			iterator end = _finish - 1;
			while (end >= pos)
			{
				*(end + 1) = *end;
				--end;
			}

			*pos = x;
			++_finish;
			return pos;
		}

		// 返回删除数据的下一个数据
		// 方便解决:一边遍历一边删除的迭代器失效问题
		iterator erase(iterator pos)
		{
			// 挪动数据进行删除
			iterator begin = pos + 1;
			while (begin != _finish) {
				*(begin - 1) = *begin;
				++begin;
			}

			--_finish;
			return pos;
		}
	private:
		iterator _start;		// 指向数据块的开始
		iterator _finish;		// 指向有效数据的尾
		iterator _endOfStorage;  // 指向存储容量的尾
	};
}

2. 使用memcpy拷贝问题

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

假设模拟实现的vector中的reserve接口中,使用memcpy进行的拷贝,上面的代码会有什么问题吗?

 

插入“2222”,需要开辟新空间。

 

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。

3.动态二维数组理解

vector<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 5 时如下所示:

完成元素填充后,如下图:

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。

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