C++ vector
前言一、vector的介绍c++文档介绍简介
二、vector的定义和使用vector的定义vector代码演示
vector的使用vector iterator 的使用vector 空间增长问题vector 增删查改vector 迭代器失效问题引起底层空间改变eraseg++与vs检测比较string迭代器失效
vector 在OJ中的使用只出现一次的数字杨辉三角练习题
三、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拷贝问题问题分析
动态二维数组理解
前言
C++中的vector是一个动态数组，它可以根据需要自动调整大小。它存储在连续的内存块中，提供了快速的随机访问和插入操作，但删除操作可能导致内存的移动。vector是STL（标准模板库）的一部分，可以容纳任何类型的元素，包括内置类型和用户定义的类型。使用vector时，需要包含头文件，并通过std命名空间访问。vector还提供了许多成员函数，如push_back()、pop_back()、size()等，以支持各种操作。
一、vector的介绍
c++文档介绍
c++文档
简介
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。
二、vector的定义和使用
vector学习时一定要学会查看文档，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。
c++文档
vector的定义
(constructor)构造函数声明接口说明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valvector (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
vector代码演示
#define _CRT_SECURE_NO_WARNINGS
#include
using namespace std;
#include
// vector的构造
int TestVector1()
{
// constructors used in the same order as described above:
vector
vector
vector
vector
// 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
cout << "The contents of fifth are:";
for (vector
cout << ' ' << *it;
cout << '\n';
return 0;
}
// vector的迭代器
void PrintVector(const vector
{
// const对象使用const迭代器进行遍历打印
vector
while (it != v.end())
{
cout << *it << " ";
++it;
}
cout << endl;
}
void TestVector2()
{
// 使用push_back插入4个数据
vector
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
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
auto rit = v.rbegin();
while (rit != v.rend())
{
cout << *rit << " ";
++rit;
}
cout << endl;
PrintVector(v);
}
// 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
// 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 << '\n';
}
// 测试vector的默认扩容机制
// vs：按照1.5倍方式扩容
// linux：按照2倍方式扩容
void TestVectorExpand()
{
size_t sz;
vector
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';
}
}
}
// 往vecotr中插入元素时，如果大概已经知道要存放多少个元素
// 可以通过reserve方法提前将容量设置好，避免边插入边扩容效率低
void TestVectorExpandOP()
{
vector
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的增删改查
// 尾插和尾删：push_back/pop_back
void TestVector4()
{
vector
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
// 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
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
// 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
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的使用
vector iterator 的使用
iterator的使用接口说明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_iteratorrbegin + 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
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sizereserve （重点）改变vector的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，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
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
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 增删查改
vector增删查改接口说明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valerase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
vector 迭代器失效问题
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：
引起底层空间改变
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
using namespace std;
#include
int main()
{
vector
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< return 0; } erase 指定位置元素的删除操作–erase #include using namespace std; #include int main() { int a[] = { 1, 2, 3, 4 }; vector // 使用find查找3所在位置的iterator vector // 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 using namespace std; #include int main() { vector auto it = v.begin(); while (it != v.end()) { if (*it % 2 == 0) v.erase(it); ++it; } return 0; } int main() { vector auto it = v.begin(); while (it != v.end()) {if (*it % 2 == 0) it = v.erase(it); else ++it; } return 0; } g++与vs检测比较 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 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 #include int main() { vector vector 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 // vector 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。 string迭代器失效 与vector类似，string在插入+扩容操作+erase之后，迭代器也会失效 #include 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 vector 在OJ中的使用 只出现一次的数字 只出现一次的数字 class Solution { public: int singleNumber(vector int value = 0; for(auto e : v) {value ^= e; } return value; } }; 杨辉三角 杨辉三角 // 涉及resize / operator[] // 核心思想：找出杨辉三角的规律，发现每一行头尾都是1，中间第[j]个数等于上一行[j-1]+[j] class Solution { public: vector vector 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; } }; 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。 练习题 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 三、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 #pragma once #include using namespace std; #include // 注意这里namespace大家下去就不要取名为bit了，否则被面试官看到问bit是啥就尴尬了 namespace bit { template 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 * 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 vector(InputIterator first, InputIterator last) { while (first != last) { push_back(*first); ++first; } } vector(const vector : _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 { 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 { 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 }; } /// / /// 对模拟实现的vector进行严格测试 void TestBitVector1() { bit::vector bit::vector int array[] = { 1,2,3,4,5 }; bit::vector bit::vector for (size_t i = 0; i < v2.size(); ++i) { cout << v2[i] << " "; } cout << endl; auto it = v3.begin(); while (it != v3.end()) { cout << *it << " "; ++it; } cout << endl; for (auto e : v4) { cout << e << " "; } cout << endl; } void TestBitVector2() { bit::vector v.push_back(1); v.push_back(2); v.push_back(3); v.push_back(4); v.push_back(5); cout << v.size() << endl; cout << v.capacity() << endl; cout << v.front() << endl; cout << v.back() << endl; cout << v[0] << endl; for (auto e : v) { cout << e << " "; } cout << endl; v.pop_back(); v.pop_back(); for (auto e : v) { cout << e << " "; } cout << endl; v.insert(v.begin(), 0); for (auto e : v) { cout << e << " "; } cout << endl; v.erase(v.begin() + 1); for (auto e : v) { cout << e << " "; } cout << endl; } 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 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内置类型的元素，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。 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 test2vector(size_t n) { // 使用vector定义二维数组vv，vv中的每个元素都是vector bit::vector // 将二维数组每一行中的vecotr 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中元素填充完成之后，如下图所示： 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。 相关链接
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