vector类介绍

用户11039545

发布于 2024-09-05 12:53:56

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发布于 2024-09-05 12:53:56

文章被收录于专栏：c语言

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成的。

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。

class Solution {
public:
 vector<vector<int>> generate(int numRows) {
 vector<vector<int>> vv(numRows);
 for(int i = 0; i < numRows; ++i)
 {
 vv[i].resize(i+1, 1);
}
 
 for(int i = 2; i < numRows; ++i)
 {
 for(int j = 1; j < i; ++j)
 {
 vv[i][j] = vv[i-1][j] + vv[i-1][j-1];
 }
 }
 
 return vv;
}};

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。

vector的使用

vector的定义

vector的构造代码演示

#include <iostream> // 引入iostream库以使用cout  
#include <vector>   // 引入vector库  
using namespace std; // 使用std命名空间，避免每次调用标准库时都写std::  
  
// vector的构造  
int TestVector1()  
{  
    // 构造一个空的int类型的vector  
    vector<int> first;                                  
  
    // 构造一个包含4个元素，每个元素值都为100的int类型的vector  
    vector<int> second(4, 100);                         
  
    // 通过迭代器构造，复制second中的所有元素到third中  
    vector<int> third(second.begin(), second.end());    
  
    // 通过拷贝构造函数，构造一个third的副本fourth  
    vector<int> fourth(third);                         
  
    // 下面涉及迭代器初始化的部分，这里展示了如何使用数组初始化vector  
    // 注意：这里直接使用数组名和数组大小作为参数，而不是数组的首尾迭代器  
    int myints[] = { 16,2,77,29 };  
    // 使用数组和数组大小来构造vector，注意这里不是使用sizeof(myints)/sizeof(int)作为迭代器范围  
    vector<int> fifth(myints, myints + sizeof(myints) / sizeof(int));  
  
    // 使用迭代器遍历并打印fifth中的所有元素  
    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

void TestVector2()  
{  
	// 创建一个空的vector<int>类型的向量v  
	vector<int> v;  
  
	// 使用push_back向v中插入4个整数  
	v.push_back(1);  
	v.push_back(2);  
	v.push_back(3);  
	v.push_back(4);  
  
	// 使用普通迭代器遍历并打印v中的所有元素  
	vector<int>::iterator it = v.begin();  
	while (it != v.end())  
	{  
		cout << *it << " ";  
		++it;  
	}  
	cout << endl;  
  
	// 使用迭代器修改v中的所有元素，将它们都乘以2  
	it = v.begin();  
	while (it != v.end())  
	{  
		*it *= 2;  
		++it;  
	}  
  
	// 使用反向迭代器遍历并打印v中的所有元素（从后往前）  
	// 这里使用了auto关键字自动推导类型，避免了直接写出reverse_iterator的完整类型  
	auto rit = v.rbegin();  
	while (rit != v.rend())  
	{  
		cout << *rit << " ";  
		++rit;  
	}  
	cout << endl;  
  
	// 调用PrintVector函数，打印修改后的v  
	PrintVector(v);  
}

vector 空间增长问题

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。

void TestVectorExpand()  
{  
    // 定义一个无符号整数变量sz，用于存储vector的当前容量  
    size_t sz;  
      
    // 创建一个空的int类型vector  
    vector<int> v;  
      
    // 获取并存储vector的初始容量（对于新创建的vector，这通常是0或某个实现定义的最小值）  
    sz = v.capacity();  
      
    // 输出提示信息  
    cout << "making v grow:\n";  
      
    // 使用for循环向vector中添加100个整数  
    for (int i = 0; i < 100; ++i)   
    {  
        // 将当前循环索引i添加到vector的末尾  
        v.push_back(i);  
          
        // 检查vector的容量是否发生了变化  
        // 如果发生了变化，说明vector进行了重新分配以容纳更多元素  
        if (sz != v.capacity())   
        {  
            // 更新sz为新的容量  
            sz = v.capacity();  
              
            // 输出容量变化的信息和新的容量值  
            cout << "capacity changed: " << sz << '\n';  
        }  
    }  
}

// 注释说明：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()  
{  
    // 创建一个空的int类型vector  
    vector<int> v;  
      
    // 尝试获取vector的初始容量，但这里实际上是未定义的（或实现依赖的），因为vector刚刚创建  
    // 在许多实现中，新创建的vector的容量可能是0或某个小的正值  
    size_t sz = v.capacity();  
      
    // 使用reserve成员函数提前为vector分配足够的容量来存储100个元素  
    // 这将减少在后续插入元素时可能发生的重新分配次数  
    v.reserve(100);   
      
    // 输出提示信息  
    cout << "making bar grow:\n";  
      
    // 使用for循环向vector中添加100个整数  
    for (int i = 0; i < 100; ++i)   
    {  
        // 将当前循环索引i添加到vector的末尾  
        v.push_back(i);  
          
        // 检查vector的容量是否发生了变化  
        // 但由于已经调用了reserve(100)，这里的条件永远不会为真（除非reserve调用的实现有特殊情况）  
        if (sz != v.capacity())  
        {  
            // 更新sz为新的容量（这行代码实际上不会被执行）  
            sz = v.capacity();  
              
            // 如果容量确实改变了，输出容量变化的信息和新的容量值  
            // 但由于上述原因，这行代码也不会被执行  
            cout << "capacity changed: " << sz << '\n';  
        }  
    }  
}

vector 增删查改

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;
}

// 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：

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;
}

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;
}
//这个代码片段在删除偶数元素后没有正确处理迭代器的更新。当*it % 2 == 0为true且调用v.erase(it)后，it指向的元素被删除，但随后代码仍然执行了++it;。这可能导致it变成悬空迭代器（如果删除的是最后一个元素）或者指向下一个元素（如果删除的不是最后一个元素但删除了元素后vector的容量减小了，这通常不会发生在标准vector实现中，因为删除操作不会改变end()迭代器的位置，但逻辑上仍然应该避免这样的行为）。更重要的是，如果连续有多个偶数，则可能跳过某些元素的检查，因为++it;会在删除元素后执行，导致迭代器跳过了下一个元素。
 
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;
}

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

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())
{
 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。

vector深度剖析及模拟实现

std::vector的核心框架接口的模拟实现bit::vector

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;
}

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

void test2vector(size_t n)
{
 // 使用vector定义二维数组vv，vv中的每个元素都是vector<int>
bit::vector<bit::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];
}
}
}

bit::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：