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【本节目标】
1.vector的介绍及使用
2.vector深度剖析及模拟实现
1.vector的介绍及使用
1.1 vector的介绍
- vector是一个可变大小数组的序列容器
- 就如同数组一样，vector也采用的是连续存储空间来存储元素；又不同于数组，他的大小会被容器自动处理，大小会自动改变
- 本质上，vector使用动态分配数组来存储元素，新元素插入时，vector会重新分配一个内存更大的新数组，而将之前内存的元素都转移到这个数组中，释放之前的数组空间
- 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
- vector占用更多的存储空间，为了获得管理存储空间的能力，以一种有效方式动态增长
- vector在访问元素时会更加高效，尾删和尾插元素相对高效
1.2 vector的使用及底层模拟实现
vector类中成员变量
template<class T>
class vector
{
public:
...
...
private:
T* _start; //指向数组内存的开始
T* _finish; //指向数组内存结束的下一个
T* _endofstorage; //数组内存当前的最大容量
}1.2.1 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 |
无参构造 vector()
vector():_start(nullptr),_finish(nullptr),_endofstorage(nullptr) {}
构造并且初始化n个val vector（size_type n, const value_type& val = value_type()）
//初始化一定数量的相同数据 vector(size_t n, const T& val=T()) { //扩容 reserve(n); for (size_t i = 0; i < n; i++) { push_back(val); } } //重载函数解决 vector<int> v1(10, 1);的调用错误 vector(int n, const T& val = T()) { //扩容 reserve(n); for (size_t i = 0; i < n; i++) { push_back(val); } }由于用上面第一个函数时，用如下的代码，可能会导致寻址错误，会与使用迭代器进行初始化构造相冲突，导致调用构造的时候会调用与使用迭代器进行初始化构造
vector<int> v1(10, 1);由于类型转换，则会两次类型转换，与使用迭代器进行初始化构造，会只用依次匹配成功，则会选用与使用迭代器进行初始化构造
而下面代码则无影响
vector<int> v2(10, 1); print_vector(v2); vector<char> v3(10, 'a'); print_vector(v3);因而要解决寻址错误，则会直接重载一个会冲突的那个类型的函数
拷贝构造 vector (const vector& x)
//拷贝构造 //v1(v3) vector(const vector<T>& v) { //扩容 reserve(v.capacity()); //对于不确定的类型T，加上& for (auto& e : v) { push_back(e); } }对于不确定的类型迭代器要加上&，将遍历v中数据插入到this中
使用迭代器进行初始化构造 vector (InputIterator first, InputIterator last)
//如果写iterator的话，会只允许vector的迭代器初始化 //类模板的成员函数是函数模板 //部分初始化 template<class Inputiterator> vector(Inputiterator first, Inputiterator end) { while (first != end) { push_back(*first); first++; } }类模板的成员函数时函数模板
C++11中初始化数组
//C++11大括号初始化数组 vector<int> v1 = { 1,2,3,4,5,6,7,8,9,10 }; vector(initializer_list<T> il) { //扩容 reserve(il.size()); //运用initializer_list 中的迭代器 for (auto e : il) { push_back(e); } }ininializer_list<T>类中可以实现大括号初始化数组，数组中的元素可以任意添加
// 隐式类型转换+优化 //vector<int> v1 = { 1,2,3,4,5,6,7,8,9,10 }; vector<int> v1{ 1,2,3,4,5,6,7,8,9,10 };在C++11中也有这样的初始化方式
int i = 1; // C++11，都可以实现 int j = { 1 }; int k{ 1 };认识既可
1.2.2 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_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 |
iterator迭代器实现begin，end
typedef T* iterator; typedef const T* const_iterator; //普通迭代器 iterator begin() { return _start; } iterator end() { return _finish; } //const迭代器 const_iterator begin() const { return _start; } const_iterator end() const { return _finish; }迭代器的作用类似于指针，我这里以指针为例
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的capacity |
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。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。
2.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。
3.resize在开空间的同时还会进行初始化，影响size
获取数据个数 size()
//大小 size_t size() const { return _finish - _start; }
获取容量大小 capacity()
size_t capacity() const { return _endofstorage - _start; }const函数，指明this指向的对象数据不会被修改，并且const对象和普通对象都可以使用
判断是否为空 empty()
//判断是否为空 bool empty() { return _start == _finish; }
改变vector的size resize()
//这里的T()指的是对象的默认构造，T是谁就是神的默认构造的值，int()=0 void resize(size_t n,const T& val=T()) { if (n > capacity()) { //扩容 reserve(n); //插入 while (_finish < _start + n) { *_finish = val; _finish++; } } else { //删除 _finish = _start + n; } }用if判断容量是否大于自身，从而判断是否需要扩容
resize函数的第二个参数的缺省值是用来初始化的，这个值由于不知道T的类型，用一个匿名对象T()来构造成功
改变vector的capacity reserve()
//扩容 void reserve(size_t n) { if (n > capacity()) { T *tmp = new T[n]; //开辟n个空间 size_t old_size = size();//防止开辟内存时，_start更新以后，_finish与之不在同一段空间，提前拷贝 //如果是string类型的vector扩容时，会导致string浅拷贝,两个内容会指向同一份空间 //memcpy(tmp, _start, sizeof(T)*size());//将_start原有的数据内存空间拷贝到tmp中 for (size_t i = 0; i < old_size; i++) { tmp[i] = _start[i]; } delete[] _start; _start = tmp; _finish = _start + old_size; _endofstorage = _start + n; } }如果是一个类类型的vector，如string时，开辟空间时可能会产生浅拷贝，memcpy导致的，memcpy是将内存的数据拷贝一份到另一段内存，但即两个内存的对象都指向同一个字符空间
1.2.3 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 |
尾插 push_back(const T& val)
//尾插 void push_back(const T& val) { //扩容 if (_finish == _endofstorage) { //扩容2倍 reserve(capacity() == 0 ? 4 : capacity() * 2); } *_finish = val; _finish++; }
尾删 pop_back()
//尾删 void pop_back() { //判断是否为空 assert(!empty()); --_finish; }要注意判断是否为空，空时删除无效
在position之前插入val insert(iterator pos,const T& val)
//插入 //指针pos void insert(iterator pos,const T& val) { assert(pos >= _start); assert(pos < _finish); //判断扩容 if (_finish == _endofstorage) { //扩容会导致_start会指向另一段新空间，而pos没有改变到新空间，还是在就空间里 //计算pos的位置 size_t len = pos - _start; reserve(capacity() == 0 ? 4 : capacity() * 2); //更新pos pos = _start + len; } //插入 //由于这里是指针，就不用在意和string产生的无符号整数会无限循环 iterator it = _finish - 1; while (it >= pos) { *(it + 1) = *it; it--; } *pos = val; ++_finish; }这里的iterator指的是前面T*,typedef T* iterator
使用时
v2.insert(v2.begin(), 11.11); print_vector(v2);
删除position位置的数据 erase(iterator pos)
//删除 void erase(iterator pos) { assert(pos >= _start); assert(pos < _finish); iterator it = pos + 1; while (it < _finish) { *it = *it + 1; it++; } _finish--; }注意要判断pos指向的位置是否在_start和_finish之间，删除时，是将pos之后的位置的数据向前移动覆盖之前的数据
交换两个vector的数据空间 swap(const vector<T>& v)
//交换 void swap(const vector<T>& v) { std::swap(this->_start, v._start); std::swap(this->_finish, v._finish); std::swap(this->_endofstorage, v._endofstorage); }赋值重载 vector<T> operator=(vector<T> v)
//赋值重载 //v1=v3 //v3的拷贝赋值给v1，保证不改变v3的值 vector<T> operator=(vector<T> v) { //内存不够，扩容 reserve(v.capacity()); swap(v); }赋值重载时，要v3的值给v1，由于v3的改变不能导致v1的改变，所以参数是值传递的拷贝
像数组一样访问 T operator[](size_t pos)
//运算符重载 T& operator[](size_t pos) { assert(pos >= 0); return _start[pos]; } const T& operator[](size_t pos) const { assert(pos >= 0); return _start[pos]; }将const类型对象和普通对象分开来定义使用
1.2.4 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：
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; }insert导致的迭代器失效
由于insert扩容时，迭代器it还在指向着原本的空间，所以迭代器失效，而需要更新迭代器
2. 指定位置元素的删除操作--erase
（1）这是正常的
（2）结果出错
由于erase是不断的向前覆盖由于每次it++则会跳过数据删除，导致迭代器错误
3.程序崩溃
这个是由于数据覆盖导致了访问越界了
更新迭代器
vector<int> v1; v1.push_back(1); v1.push_back(2); v1.push_back(3); v1.push_back(4); v1.push_back(4); v1.push_back(5); //v1.push_back(4); // 删除偶数 -- 迭代器失效以后，不要直接使用，如果要使用按规则重新更新后使用 //std::vector<int>::iterator it = v1.begin(); vector<int>::iterator it = v1.begin(); // 21:15 //cout << typeid(it).name() << endl; while (it != v1.end()) { if (*it % 2 == 0) { it = v1.erase(it); } else { ++it; } }
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()) { 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
1.2.5 使用memcpy拷贝问题
reserve中memcpy拷贝问题
//扩容 void reserve(size_t n) { if (n > capacity()) { T *tmp = new T[n]; //开辟n个空间 size_t old_size = size();//防止开辟内存时，_start更新以后，_finish与之不在同一段空间，提前拷贝 //如果是string类型的vector扩容时，会导致string浅拷贝,两个内容会指向同一份空间 memcpy(tmp, _start, sizeof(T)*size());//将_start原有的数据内存空间拷贝到tmp中 _start = tmp; _finish = _start + old_size; _endofstorage = _start + n; } } 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：
1. 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
2. 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