C++--vector的使用和模拟实现

文章目录

前言
一、vector的介绍及使用

1.vector的介绍及使用

1.1 vector的介绍
1.2 vector的使用

1.2.1 vector的定义
1.2.2 vector iterator 的使用
1.2.3 vector 空间增长问题
1.2.3 vector 增删查改
1.2.4 vector 迭代器失效问题（重点）
1.2.5 vector 在OJ中的使用

二、vector深度剖析及模拟实现

2.1 std::vector的核心框架接口的模拟实现rose::vector
2.2 使用memcpy拷贝问题
2.2 对rose::vector核心接口的测试
2.3 动态二维数组理解

总结

前言

今天我们来讲一讲关于vector容器，他是一个顺序表，类似于C语言中的数组，但是容器里面的数据类型可以是内置类型或者自定义类型，其中也包含了很多的函数接口，实现增删查改等等！

接下来开始我们的学习!

OJ题的答案在文章的末尾！

正文开始

一、vector的介绍及使用

1.vector的介绍及使用

1.1 vector的介绍

vector的文档介绍

vector是表示可变大小数组的序列容器。

就像数组一样，vector也采用的是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（deques, lists and forward_lists）， 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lists和

forward_lists统一的迭代器和引用更好。

学习方法：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

#include<vector>
int main()
{

  std::vector<int> first; //无参构造
  std::vector<int> second(4, 100); // 构造并初始化4个100
  std::vector<int> third(second.begin(), second.end()); //使用迭代器进行初始化构造
  std::vector<int> fourth(third); //拷贝构造
  // 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
  int myints[] = { 16,2,77,29 };
  std::vector<int> fifth(myints, myints + sizeof(myints) / sizeof(int));
  for (std::vector<int>::iterator it = fifth.begin(); it != fifth.end(); ++it)
    std::cout << *it<<" ";
  std::cout << endl;
  return 0;
}

1.2.2 vector iterator 的使用

#include<vector>
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())
  {
    //*it+=1;//error
    cout << *it << " ";
    ++it;
  }
  cout << endl;
}
int main()
{
  // 使用push_back插入4个数据
  vector<int> v;
  v.push_back(1);
  v.push_back(2);
  v.push_back(3);
  v.push_back(4);
  // 使用迭代器进行遍历打印
  vector<int>::iterator it = v.begin();
  while (it != v.end())
  {
    cout << *it << " ";
    ++it;
  }
  cout << endl;
  // 使用迭代器进行修改
  it = v.begin();
  while (it != v.end())
  {
    *it *= 2;
    ++it;
  }
  // 使用反向迭代器进行遍历再打印
  vector<int>::reverse_iterator rit = v.rbegin();
  while (rit != v.rend())
  {
    cout << *rit << " ";
    ++rit;
  }
  cout << endl;
  PrintVector(v);
  return 0;
}

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（重点）	改变vector的size
reserve （重点）	改变vector放入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，顺序表增容都是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。

VS下的测试结果

同样一份代码g++下

1.2.3 vector 增删查改

// push_back/pop_back
#include <iostream>
#include <vector>
using namespace std;
int main()
{
  int a[] = { 1, 2, 3, 4 };
  vector<int> v(a, a + sizeof(a) / sizeof(int));
  vector<int>::iterator 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;
  return 0;
}

// find / insert / erase
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);

  // 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;
  return 0;
}

// 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。
#include <iostream>
#include <vector>
using namespace std;
int main()
{
  int a[] = { 1, 2, 3, 4 };
  vector<int> v(a, a + sizeof(a) / sizeof(int));
  // 通过[]读写第0个位置。
  v[0] = 10;
  cout << v[0] << endl;
  // 通过[i]的方式遍历vector
  for (size_t i = 0; i < v.size(); ++i)
    cout << v[i] << " ";
  cout << endl;
  vector<int> swapv;
  swapv.swap(v);//交换两个容器
  cout << "v data:";
  for (size_t i = 0; i < v.size(); ++i)
    cout << v[i] << " ";
  cout << endl;
  cout << "swapv data:";
  for (size_t i = 0; i < swapv.size(); ++i)
    cout << swapv[i] << " ";
  cout << endl;

  // C++11支持的新式范围for遍历
  for (auto x : v)
    cout << x << " ";
  cout << endl;
  return 0;
}

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：

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。
   */
   auto it = v.begin();
   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？

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;
}

第一种方法erase之后会导致pos位置的意义变了，所以是不行的

第二个是可以的，因为erase的返回值是迭代器类型，重新接收即可！

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

1. 只出现一次的数字i

2. 杨辉三角OJ

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。

二、vector深度剖析及模拟实现

图片截取至<STL深度剖析>这本书，因为作者是台湾人，所以文章内容是台湾字。

2.1 std::vector的核心框架接口的模拟实现rose::vector

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

template<class T>
class vector
{
public:
  typedef T* iterator;
  typedef const T* const_iterator;
  vector()
    :_start(nullptr)
    ,_finish(nullptr)
    ,_endofstorage(nullptr)
  {}
  vector(size_t n, T val)
  {
    reserve(n);
    for (size_t i = 0; i < n; i++)
    {
      push_back(val);
    }
  }
  //类模板的成员函数，还可以再是函数模板
  template<class InputIterator>
  vector(InputIterator first, InputIterator last)
    :_start(nullptr)
    , _finish(nullptr)
    , _endofstorage(nullptr)
  {
    while (first!=last)
    {
      push_back(*first);
      first++;
    }
  }
  void swap(vector<T> v)
  {
    ::swap(_start, v._start);
    ::swap(_finish, v._finish);
    ::swap(_endofstorage, v._endofstorage);
  }
  vector(const vector<T>& v)
    :_start(nullptr)
    ,_finish(nullptr)
    ,_endofstorage(nullptr)
  {
    //reserve(v.capacity());
    //for (auto& e : v)
    //{
    //  push_back(e);
    //}
    _start = new T[v.capacity()];
    //memcpy(_start,v._start,sizeof(T)*v.size());
    for (size_t i = 0; i < v.size(); i++)
    {
      _start[i] = v._start[i];
    }
    _finish = _start + v.size();
    _endofstorage = _start + v.capacity();
  }
  v1=v2
  //vector<T>& operator=(const vector<T>& v)
  //{
  //  /*if (this != &v)
  //  {
  //    delete[] _start;
  //    _start = new T[v.capacity()];
  //    memcpy(_start, v._start, sizeof(T) * v.size());
  //    _finish = _start + v.size();
  //    _endofstorage = _start + v.capacity();
  //  }*/
  //  if (this != &v)
  //  {
  //    vector<T> tmp(v);
  //    swap(_start, tmp._start);
  //    _finish = _start + v.size();
  //    _endofstorage = _start + v.capacity();
  //  }
  //  return *this;
  //}
  //v1=v2
  vector<T>& operator=(vector<T> v)
  {
    swap(v);
    return *this;
  }
  ~vector()
  {
    if (_start != nullptr)
    {
      delete[] _start;      
    }
    _start =_finish=_endofstorage= nullptr;
  }
  iterator begin()
  {
    return _start;
  }
  const_iterator begin() const
  {
    return _start;
  }
  iterator end()
  {
    return _finish;
  }
  const_iterator end() const
  {
    return _finish;
  }
  size_t capacity()const
  {
    return _endofstorage - _start;
  }
  size_t size()const
  {
    return _finish - _start;
  }
  bool empty()const
  {
    return _start == _finish;
  }
  T& operator[](size_t i) 
  {
    assert(i<size());
    return _start[i];
  }
  const T& operator[](size_t i)const
  {
    assert(i < size());
    return _start[i];
  }
  void reserve(size_t n)
  {
    if (n > capacity())
    {
      size_t sz = _finish - _start;
      T* tmp = new T[n];
      if (_start)
      {
        //memcpy(tmp,_start,sz*sizeof(T));
        for (size_t i = 0; i < sz; i++)
        {
          tmp[i] = _start[i];
        }
        delete[] _start;
      }
      _start = tmp;
      _finish = _start + sz;
      _endofstorage = _start + n;
    }
  }
  void resize(size_t n,T val=T())
  {
    if (n < size())
    {
      _finish = _start + n;
    }
    else
    {
      if (n > capacity())
      {
        reserve(n);
      }
      while (_finish < _start + n)
      {
        *_finish = val;
        _finish++;
      }
    }
  }
  void push_back(const T& x)
  {
    if (_finish == _endofstorage)
    {
      size_t newcapacity = capacity() == 0 ? 4 : capacity() * 2;
      reserve(newcapacity);
    }
    *_finish = x;
    _finish++;
  }
  void pop_back()
  {
    assert(!empty());
    _finish--;
  
  }
  void insert(iterator pos,const T& x)
  {
    assert(pos <= _finish);
    if (_finish == _endofstorage)
    {
      size_t len = pos - _start;
      size_t newcapacity = capacity() == 0 ? 4 : capacity() * 2;
      reserve(newcapacity);
      //更新pos,解决增容后pos失效的问题
      pos = _start + len;
    }
    iterator end = _finish- 1;
    while (end >= pos)
    {
      *(end + 1) = *end;
      end--;
    }
    *pos = x;
    _finish++;
  }
  iterator erase(iterator pos)
  {
    assert(pos < _finish);
    iterator cur = pos+1;
    while (cur <_finish)
    {
      *(cur-1) = *cur;
      cur++;
    }
    _finish--;
    return pos;

  }
private:
  iterator _start;
  iterator _finish;
  iterator _endofstorage;

};

2.2 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()
{
   rose::vector<string> v;
   v.push_back("1111");
   v.push_back("2222");
   v.push_back("3333");
   v.push_back("4444");
   v.push_back("5555");
 return 0;
}

问题分析：

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

如果拷贝的是内置类型的元素，memcpy即高效又不会出错，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。

2.2 对rose::vector核心接口的测试

template<class T>
void PrintVector(const vector<T>& v)
{
  auto it = v.begin();
  while (it != v.end())
  {
    cout << *it << " ";
    it++;
  }
  cout << endl;
  /*for (size_t i = 0; i < v.size(); i++)
  {
    cout << v[i] << " ";
  }
  cout << endl;
  for (auto& e : v)
  {
    cout << e << " ";
  }
  cout << endl;*/
}

void test_vector1()
{
  vector<int> v;
  v.push_back(1);
  v.push_back(2);
  v.push_back(3);
  v.push_back(4);
  
}
void test_vector2()
{
  vector<int> v;
  v.push_back(1);
  v.push_back(2);
  v.push_back(3);
  v.push_back(4);
  v.push_back(5);

  v.resize(3);
  PrintVector(v);
  v.resize(6);
  PrintVector(v);
  v.resize(10);
  PrintVector(v);
}
void test_vector3()
{
  vector<int> v;
  v.push_back(1);
  v.push_back(2);
  v.push_back(3);
  v.push_back(4);
  v.push_back(5);
  v.push_back(6);
  v.push_back(7);
  v.push_back(8);
  PrintVector(v);

  vector<int>::iterator pos = find(v.begin(),v.end(),3);
  //在pos  之前插入
  v.insert(pos,30);
  //insert以后pos就失效了
  //1.pos指向位置的意义就变了，pos不是指向3
  //2.pos成为了野指针
  PrintVector(v);


}
void test_vector4()
{
  vector<int> v;
  v.push_back(1);
  v.push_back(2);
  v.push_back(3);
  v.push_back(4);
  v.push_back(5);
  v.push_back(6);
  PrintVector(v);
  //删除掉所有的偶数
  auto it = v.begin();
  while (it != v.end())
  {
    if (*it % 2 == 0)
    {
      it = v.erase(it);
    }
    else
    {
      it++;
    }
  }
  PrintVector(v);
}

void test_vector5()
{
  vector<int> v1;
  v1.push_back(1);
  v1.push_back(2);
  v1.push_back(3);
  v1.push_back(4);
  v1.push_back(5);
  v1.push_back(6);

  vector<int> v2(v1);
  PrintVector(v2);

  vector<int> v3;
  v3.push_back(10);
  v3.push_back(20);
  v3.push_back(30);
  v3.push_back(40);
  v3.push_back(50);
  v3.push_back(60);
  vector<int> v4;
  v3 = v1;
  v4 = v1;
  PrintVector(v3);
  PrintVector(v4);

}
void test_vector6()
{
  vector<string> str;
  str.push_back("11111");
  str.push_back("22222");
  str.push_back("33333");
  str.push_back("44444");
  str.push_back("55555");
  for (const auto& e : str)
  {
    cout << e << " ";
  }
  //memcpy引发的深层次深浅拷贝
  //总结:T是内置类型或者浅拷贝类型(Date)，他们增容或者拷贝构造中，我们要memcpy是没有问题的
  //但是T是深拷贝的自定义类型(string)，他们增容或者拷贝构造中，我们用memcpy是有问题的
}

}

2.3 动态二维数组理解

// 以杨辉三角的前n行为例：假设n为5
void test5(size_t n) {
   // 使用vector定义二维数组vv，vv中的每个元素都是vector<int>
   rose::vector<rose::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1
   for (size_t i = 0; i < n; ++i)
   vv[i].resize(i + 1, 1);
   // 给杨辉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];
     }
   }
}

rose::vector<rose::vector> 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：

C++--vector的使用和模拟实现

文章目录

前言

一、vector的介绍及使用

1.vector的介绍及使用

1.1 vector的介绍

1.2 vector的使用

1.2.1 vector的定义

1.2.2 vector iterator 的使用

1.2.3 vector 空间增长问题

1.2.3 vector 增删查改

1.2.4 vector 迭代器失效问题（重点）

1.2.5 vector 在OJ中的使用

二、vector深度剖析及模拟实现

2.1 std::vector的核心框架接口的模拟实现rose::vector

2.2 使用memcpy拷贝问题

2.2 对rose::vector核心接口的测试

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