C++从入门到精通（第七篇）：vector深度剖析及模拟实现

雪芙花

发布于 2022-11-07 16:51:43

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发布于 2022-11-07 16:51:43

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vector深度剖析及模拟实现

vector的介绍及使用

vector的介绍

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

vector的使用

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

// constructing vectors
#include <iostream>
#include <vector>
int main ()
{
// constructors used in the same order as described above:
std::vector<int> first; // empty vector of ints
std::vector<int> second (4,100); // four ints with value 100
std::vector<int> third (second.begin(),second.end()); // iterating through second
std::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};
std::vector<int> fifth (myints, myints + sizeof(myints) / sizeof(int) );
std::cout << "The contents of fifth are:";
for (std::vector<int>::iterator it = fifth.begin(); it != fifth.end(); ++it)
std::cout << ' ' << *it;
std::cout << '\n';
return 0;
}

vector iterator 的使用

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

#include <iostream>
#include <vector>
using namespace std;
void PrintVector(const vector<int>&amp; 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;
}
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;
}

vector 空间增长问题

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。

// vector::capacity
#include <iostream>
#include <vector>
int main ()
{
size_t sz;
std::vector<int> foo;
sz = foo.capacity();
std::cout << "making foo grow:\n";
for (int i=0; i<100; ++i) {
foo.push_back(i);
if (sz!=foo.capacity()) {
sz = foo.capacity();
std::cout << "capacity changed: " << sz << '\n';
}
}
}
vs：运行结果：
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：
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

// vector::reserve
#include <iostream>
#include <vector>
int main ()
{
size_t sz;
std::vector<int> foo;
sz = foo.capacity();
std::cout << "making foo grow:\n";
for (int i=0; i<100; ++i) {
foo.push_back(i);
if (sz!=foo.capacity()) {
sz = foo.capacity();
std::cout << "capacity changed: " << sz << '\n';
}
}
std::vector<int> bar;
sz = bar.capacity();
bar.reserve(100); // this is the only difference with foo above
std::cout << "making bar grow:\n";
for (int i=0; i<100; ++i) {
bar.push_back(i);
if (sz!=bar.capacity()) {
sz = bar.capacity();
std::cout << "capacity changed: " << sz << '\n';
}
}
return 0;
}

vector 增删查改

push_back（重点）

尾插

pop_back （重点）

尾删

find 查找。

(注意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[] （重点）

像数组一样访问

// 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;
}

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。

vector模拟实现

模拟实现

#include<iostream>
#include<vector>
#include<algorithm>
using namespace std;
namespace ymh
{
    template<class T>
    class vector {
    public:
        typedef	T iterator;
        vector()
            :_start(nullptr),
            _finish(nullptr),
            _endofstorage(nullptr)
        {}
        //迭代器构造
        template <class InputIterator>
        //迭代器构造
        vector(InputIterator first, InputIterator end)
            :_start(nullptr),
            _finish(nullptr),
            _endofstorage(nullptr)
        {
            while (first != end)
            {
                push_back(*first);
                first++;
            }
        }
        //拷贝构造
        vector(const vector&amp; v)
            :_start(nullptr),
            _finish(nullptr),
            _endofstorage(nullptr)
        {
            //swap(this,v);  假如传的是const的对象 ， 就交换不了了

            _start = new T[v.capacity()];
            _finish = _start + v.size();
            _endofstorage = _start + v.capacity();

            //赋值

            //memcpy(_start, v._start, sizeof(T) * v.size());  不能这样写， 会有深拷贝中的浅拷贝危险（会释放堆里的空间）
            for (size_t i = 0; i < v.size(); i++)   
            {
                _start[i] = v._start[i];
            }
        }

        //交换
        void swap(vector&amp; v)
        {
            ::swap(_start, v._start);
            ::swap(_finish, v._finish);
            ::swap(_endofstorage, v._endofstorage);
        }

        //运算符重载
        vector<T>&amp; operator =(vector<T> v)
        {
            swap(v);
            return *this;
        }

        //析构函数
        ~vector()
        {
            if (_start)
            {
                delete[] _start;
            }
            _start = _finish = _endofstorage = nullptr;
        }

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

        iterator end()
        {
            return _finish;
        }

        const_iterator begin() const
        {
            return _start;
        }

        const_iterator end() const
        {
            return _finish;
        }

        //内存
        size_t capacity() const
        {
            return _endofstorage - _start;
        }

        size_t size() const
        {
            return _finish - _start;
        }

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

        //[]重载
        T&amp; operator [](size_t i)
        {
            //记得断言
            assert(i < size());

            return _start[i];
        }

        //resize
        void resize(size_t n, T t=T())
        {
            if (n < size())
            {
                _finish = _start + n;
            }
            else
            {
                if (n > capacity())
                {
                    reserve(n);
                }

                while (_finish < _start + n)
                {
                    *_finish = t;
                    _finish++;
                }
            }
        }

        //reserve
        void reserve(size_t n)
        {
            // n<capacity 不用变化

            if (n > capacity()) //扩容
            {
                size_t sz = size();
                T* tem = new T[n];

                if (_start != nullptr)
                {
                    //memcpy(tmp, _start, sz*sizeof(T)); 还是一样的问题，不能用memcpy
                    for (size_t i = 0; i < sz; i++)
                    {
                        tem[i] = _start[i]; //如果是类，就会去调用类的构造函数，就不存在 浅拷贝 了
                    }

                    //记得delete之前的内存
                    delete[] _start;
                }
                _start = tem;
                _finish = _start + sz;
                _endofstorage = _start + n;
            }
        }

        void push_back(T&amp; t)
        {
            if (_finish == _endofstorage)
            {
                size_t new_capacity = capacity() == 0 ? 4 : capacity() * 2;
                reserev(new_capacity);
            }

            *_finish = t;
            _finish++:
        }

        void pop_back()
        {
            assert(!empty());

            _finish--;
        }

        void insert(iterator pos,const T&amp; t)
        {
            if (_finish == _endofstorage)
            {
                size_t len = pos - _start; //在vector中的相对位置
                size_t new_capacity = capacity() == 0 ? 4 : capacity() * 2;
                reserve(new_capacity);

                pos = _start + len;
            }
            while (pos + 1 <= _finish)
            {
                *(pos + 1) = *pos;
                pos++;
            }
            *(_start + len) = t;
            _finish++;
        }

        iterator erase(iterator pos)
        {
            iterator it = pos + 1;
            while (it < _finish)
            {
                *(it - 1) = *it;
                it++;
            }
            _finish--;

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

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：

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。比

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。

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 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>
    cole::vector<cole::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];
        }
    }
}