C++ vector的介绍及常见功能实现
作者：_Fiora
1. 前言
上一篇文章我们学习了C++中string类的使用和模拟实现，string是一种表示字符串的字符串类今天我们来继续学习C++中的另一种容器：vector。
2. 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。
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。
3. vector的常用接口
3.1 vector对象的常见构造函数
| 函数名称 | 功能说明 |
|---|---|
| vector() | 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) | 拷贝构造 |
| vector (InputIterator first, InputIterator last) | 使用迭代器进行初始化构造 |
void Test1()
{
vector<int> v1;
vector<int> v2(10, 1);
vector<int> v3(v2);
}
3.2 iterator的使用
| 函数名称 | 功能说明 |
|---|---|
| begin+end | 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 |
void Test1()
{
vector<int> v1;
vector<int> v2(10, 1);
vector<int> v3(v2);
//迭代器
vector<int>::iterator it = v2.begin();
while (it != v2.end())
{
(*it)++;
cout << *it << ' ';
it++;
}
cout << endl;
}
3.3 vector的空间管理
| 函数名称 | 功能说明 |
|---|---|
| size | 获取数据个数 |
| capacity | 获取容量大小 |
| empty | 判断是否为空 |
| resize | 改变vector的size |
| reserve | 改变vector的capacity |
注意：
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。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。
void TestVectorExpand()
{
size_t sz;
vector<int> v;
//v.resize(100);
//v.reserve(100);
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';
}
}
}
void Test3()
{
vector<int> v1;
cout << v1.max_size() << endl;
TestVectorExpand();
}
void TestVectorExpand()
{
size_t sz;
vector<int> v;
//v.resize(100);
v.reserve(100);
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';
}
}
}
void Test3()
{
vector<int> v1;
cout << v1.max_size() << endl;
TestVectorExpand();
}
3.4 vector的增删查改
| 函数名称 | 功能说明 |
|---|---|
| push_back | 尾插 |
| pop_back | 尾删 |
| find | 查找 |
| 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[] | 像数组一样访问 |
void Test4()
{
vector<int> v1;
v1.push_back(1);
v1.push_back(2);
v1.push_back(3);
v1.push_back(4);
v1.push_back(5);
vector<int>::iterator pos = find(v1.begin(), v1.end(), 3);
if (pos != v1.end())
{
v1.insert(pos, 30);
}
for (size_t i = 0; i < v1.size(); i++)
{
cout << v1[i] << ' ';
}
cout << endl;
pos = find(v1.begin(), v1.end(), 300);
if (pos != v1.end())
{
v1.erase(pos);
}
for (auto e : v1)
{
cout << e << ' ';
}
cout << endl;
}
void Test5()
{
vector<int> v1;
v1.push_back(10);
v1.push_back(1);
v1.push_back(44);
v1.push_back(223);
v1.push_back(32);
v1.push_back(56);
v1.push_back(15);
v1.push_back(90);
for (auto e : v1)
{
cout << e << ' ';
}
cout << endl;
sort(v1.begin(), v1.end());
for (auto e : v1)
{
cout << e << ' ';
}
cout << endl;
//less<int> ls;
//greater<int> gt;
//sort(v1.begin(), v1.end(), gt);
sort(v1.begin(), v1.end(), greater<int>());
for (auto e : v1)
{
cout << e << ' ';
}
cout << endl;
}
4. vector迭代器失效的问题
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)。
可能导致迭代器失效的操作有很多，下面我们来一一介绍。
4.1 底层空间改变的操作
会引起其底层空间改变的操作，都有可能导致迭代器失效，比如：resize、reserve、insert、assign、push_back等。
void Test6()
{
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);
while (it != v.end())
{
cout << *it << " ";
++it;
}
cout << endl;
}
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。
4.2 指定位置元素的删除操作
void Test7()
{
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
}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。
总结：
迭代器失效解决办法：在使用前，对迭代器重新赋值即可。
5. vector模拟实现
namespace fiora
{
template<class T>
class vector
{
public:
typedef T* iterator;
typedef const T* const_iterator;
iterator begin()
{
return _start;
}
iterator end()
{
return _finish;
}
const_iterator begin()const
{
return _start;
}
const_iterator end()const
{
return _finish;
}
size_t size()const
{
return _finish - _start;
}
size_t capacity()const
{
return _end_of_storage - _start;
}
void reserve(size_t n)
{
if (n > capacity())
{
size_t sz = size();
T* tmp = new T[n];
if (_start)
{
//memcpy(tmp, _start, sizeof(T) * sz);
for (size_t i = 0; i < sz; i++)
{
tmp[i] = _start[i];
}
delete[] _start;
}
_start = tmp;
_finish = _start + sz;
_end_of_storage = _start + n;
}
}
void resize(size_t n, const T& val = T())
{
if (n > capacity())
{
reserve(n);
}
if (n > size())
{
while (_finish < _start + n)
{
*_finish = val;
_finish++;
}
}
else
{
_finish = _start + n;
}
}
iterator insert(iterator pos, const T& x)
{
assert(pos >= _start);
assert(pos <= _finish);
if (_finish == _end_of_storage)
{
size_t len = pos - _start;
reserve(capacity() == 0 ? 4 : capacity() * 2);
pos = len + _start;
}
//向后挪动数据
iterator end = _finish - 1;
while (end >= pos)
{
*(end + 1) = *end;
end--;
}
*pos = x;
_finish++;
return pos;
}
//erase返回删除位置的下一个位置的迭代器
iterator erase(iterator pos)
{
assert(pos >= _start);
assert(pos < _finish);
iterator begin = pos + 1;
while (begin < _finish)
{
*(begin - 1) = *begin;
begin++;
}
_finish--;
return pos;
}
T& front()
{
assert(size() > 0);
return *_start;
}
T& back()
{
assert(size() > 0);
return *(_finish - 1);
}
void push_back(const T& x)
{
if (_finish == _end_of_storage)
{
reserve(capacity() == 0 ? 4 : capacity() * 2);
}
*_finish = x;
_finish++;
}
void pop_back()
{
assert(_finish > _start);
_finish--;
}
const T& operator[](size_t pos)const
{
assert(pos < size());
return _start[pos];
}
T& operator[](size_t pos)
{
assert(pos < size());
return _start[pos];
}
void swap(vector<T>& v)
{
std::swap(_start, v._start);
std::swap(_finish, v._finish);
std::swap(_end_of_storage, v._end_of_storage);
}
vector<T>& operator=(vector<T> v)
{
swap(v);
return *this;
}
vector()
:_start(nullptr)
,_finish(nullptr)
,_end_of_storage(nullptr)
{
}
/*vector(const vector<T>& v)
:_start(nullptr)
,_finish(nullptr)
,_end_of_storage(nullptr)
{
reserve(v.size());
for (const auto& e : v)
{
push_back(e);
}
}*/
vector(const vector<T>& v)
:_start(nullptr)
,_finish(nullptr)
,_end_of_storage(nullptr)
{
vector<T> tmp(v.begin(), v.end());
swap(tmp);
}
vector(size_t n, const T& val = T())
:_start(nullptr)
, _finish(nullptr)
, _end_of_storage(nullptr)
{
reserve(n);
for (size_t i = 0; i < n; ++i)
{
push_back(val);
}
}
template<class Iterator>
vector(Iterator first, Iterator last)
:_start(nullptr)
,_finish(nullptr)
,_end_of_storage(nullptr)
{
while (first != last)
{
push_back(*first);
first++;
}
}
~vector()
{
delete[] _start;
_start = _finish = _end_of_storage = nullptr;
}
private:
iterator _start;
iterator _finish;
iterator _end_of_storage;
};
}6. 结尾
到这里，关于vector的介绍和常见功能我们就学习结束了，vector在实际中非常的重要，但在实际中我们只要熟悉常见的接口就可以了，最重要的是理解他的底层原理，要能够自己模拟实现出一个简单的vector。
最后，感谢各位大佬的耐心阅读和支持，觉得本篇文章写的不错的朋友可以三连关注支持一波，如果有什么问题或者本文有错误的地方大家可以私信我，也可以在评论区留言讨论，再次感谢各位。
到此这篇关于C++ vector的介绍及常见功能实现的文章就介绍到这了,更多相关C++ vector内容请搜索脚本之家以前的文章或继续浏览下面的相关文章希望大家以后多多支持脚本之家！