【C++】 9. vector

一、vector的介绍及使用

1、vector的介绍

什么是vector？根据之前学过的数据结构知识，在这里可以将vector认为是顺序表。

vector的文档介绍
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。

2、vector对象的常用接口

vector学习时一定要学会查看文档：vector的文档介绍。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。

1）constructor

(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

示例如下：

#include<iostream>
#include<vector>
using namespace std;int main()
{vector<int> v1;//无参构造vector<int> v2(10, 1);//构造并初始化10个1vector<int> v3(++v2.begin(), --v2.end());//迭代器进行初始化构造vector<int> v4 = v3;//拷贝构造//三种遍历//1、for循环for (size_t i = 0; i < v3.size(); i++){cout << v3[i] << " ";}cout << endl;//2、迭代器vector<int>::iterator it = v3.begin();while (it != v3.end()){cout << *it << " ";it++;}cout << endl;//3、范围for(底层迭代器)for (auto e : v3){cout << e << " ";}cout << endl;return 0;
}

运行结果：

除此之外，C++11以后还支持一种初始化列表的方式来进行初始化。
如下：

#include<iostream>
#include<vector>
using namespace std;int main()
{vector<int> v{ 1,2,3,4 };return 0;
}

2）Iterators

函数声明	接口说明
begin + end（重要）	获取第一个数据位置的迭代器， 获取最后一个数据的下一个位置的迭代器
rbegin + rend	获取最后一个数据位置的迭代器，获取第一个数据前一个位置的迭代器

示例如下：

#include<iostream>
#include<vector>
using namespace std;int main()
{vector<int> v{ 1,2,3,4 };//正向遍历vector<int>::iterator it = v.begin();while (it != v.end()){cout << *it << " ";++it;}cout << endl;//反向遍历vector<int>::reverse_iterator rit = v.rbegin();while (rit != v.rend()){cout << *rit << " ";++rit;}cout << endl;return 0;
}

运行结果：

3）Capacity

函数声明	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）	修改vector的size
reserve（重点）	修改vector的capacity

示例如下：

#include<iostream>
#include<vector>
using namespace std;int main()
{vector<int> v1{ 1,2,3,4 };cout << v1.size() << endl;//数据个数cout << v1.capacity() << endl;//容量大小cout << v1.empty() << endl;//判断是否为空v1.resize(10, 2);//修改sizefor (auto e : v1){cout << e << " ";}cout << endl;cout << v1.size() << endl;cout << v1.capacity() << endl;v1.reserve(20);//修改capacitycout << v1.size() << endl;cout << v1.capacity() << endl;return 0;
}

运行结果：

注意：

• 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。
• 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<int> v;sz = v.capacity();cout << "making v grow:" << endl;for (size_t i = 0; i < 100; i++){v.push_back(i);if (sz != v.capacity()){sz = v.capacity();cout << "capacity changed: " << sz << endl;}}
}

vs运行结果：vs下使用的STL基本是按照1.5倍方式扩容

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。

//测试vector的默认扩容机制
void testVectorExpand()
{size_t sz;vector<int> v;sz = v.capacity();v.reserve(100);//提前设置空间cout << "making v grow:" << endl;for (size_t i = 0; i < 100; i++){v.push_back(i);if (sz != v.capacity()){sz = v.capacity();cout << "capacity changed: " << sz << endl;}}
}

运行结果：

4）Element access

函数声明	接口说明
front	访问第一个元素
back	访问最后一个元素
operator[ ]（重点）	像数组一样访问

示例如下：

#include<iostream>
#include<vector>
using namespace std;int main()
{vector<int> v{ 1,2,3,4 };cout << v.front() << endl;//第一个元素cout << v.back() << endl;//最后一个元素//[]v[2] = 10;cout << "v: ";for (auto e : v){cout << e << " ";}cout << endl;//[][]vector<int> v1(5, 1);vector<vector<int>> v2(10, v1);v2[3][3] = 100;cout << "v2: " << endl;for (size_t i = 0; i < v2.size(); i++){for (size_t j = 0; j < v1.size(); j++){cout << v2[i][j] << " ";}cout << endl;}cout << endl;return 0;
}

运行结果：

5）Modifiers:

函数声明	接口说明
push_back（重点）	尾插
pop_back （重点）	尾删
find	查找（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（仅支持迭代器）
erase	删除position位置的数据（仅支持迭代器）
swap	交换两个vector的数据空间

示例1如下：

#include<iostream>
#include<vector>
using namespace std;int main()
{vector<int> v1(5, 0);v1.push_back(1);//尾插v1.push_back(2);v1.push_back(3);v1.push_back(4);v1.pop_back(); //尾删cout << "v1: ";for (auto e : v1){cout << e << " ";}cout << endl;vector<int>::iterator it = find(v1.begin(), v1.end(), 2);//findit++;cout << *it << endl;vector<int> v2(5, 0);v2.insert(v2.begin(), 1);//插入v2.insert(v2.begin() + 1, 2);v2.erase(v2.begin());//删除cout << "v2: ";for (auto e : v2){cout << e << " ";}cout << endl;vector<int> v3(5, 1);v3.swap(v2);//交换cout << "交换后v3: ";for (auto e : v3){cout << e << " ";}cout << endl;cout << "交换后v2: ";for (auto e : v2){cout << e << " ";}cout << endl;return 0;
}

运行结果：

6）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，都有可能使迭代器失效，比如：resize、reserve、insert、assign、push_back等。

#include <iostream>
#include <vector>
using namespace std;int main()
{vector<int> v;v.push_back(1);v.push_back(2);v.push_back(3);v.push_back(4);print_vector(v);int x;cin >> x;auto p = find(v.begin(), v.end(), x);if (p != v.end()){//insert以后p就失效了，要访问就要更新这个失效的迭代器的值v.insert(p, 40);(*p) *= 10;//更新p//p = v.insert(p, 40);//(*(p + 1)) *= 10;}print_vector(v);return 0;
}

运行结果：

这里我们本来想将3的值乘以10，但由于插入数据后迭代器p就失效了，不再指向原来的3了，如果还想要访问原来p所对应的数据，就要更新迭代器p。

更新后的运行结果：

2. 指定位置元素的删除操作–erase

#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 pos = find(v.begin(), v.end(), 3);//查找3所在位置的iteratorv.erase(pos);//删除pos位置的数据,导致pos迭代器失效。cout << *pos << endl; //此处会导致非法访问return 0;
}

编译报错：

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，这里有两段代码。

void test1()
{vector<int> v{ 1,2,3,4,4,5 };auto it = v.begin();while (it != v.end()){if (*it % 2 == 0)v.erase(it);//函数执行后，it所指向的节点已被删除，因此it无效，在下一次使用it时，必须先给其赋值++it;//非法访问}for (auto e : v){cout << e << " ";}cout << endl;
}//改正
void test2()
{vector<int> v{ 1,2,3,4,4,5 };auto it = v.begin();while (it != v.end()){if (*it % 2 == 0)it = v.erase(it);else++it;}for (auto e : v){cout << e << " ";}cout << endl;
}

运行test1：编译报错。
运行test2：

test1造成编译报错的原因是当遇到偶数时，erase删除数据后，此时it已经指向下一个数据了，再进行++就会跳过某些元素。正确的做法是当遇到偶数删除后，要及时更新it。

3. 与vector类似，string在插入+扩容操作+erase之后，迭代器也会失效

#include <string>#include <string>
void TestString()
{string s("hello");auto it = s.begin();//s.resize(20, 'x');//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while (it != s.end()){cout << *it;++it;}cout << endl;it = s.begin();while (it != s.end()){//s.erase(it);//删除后未更新it，导致it失效it = s.erase(it);}
}

迭代器失效解决办法：在使用前，对迭代器重新赋值即可。

二、vector的模拟实现

1、模拟实现vector

1）vector.h

#pragma once
#include<iostream>
#include<vector>
#include<list>
#include<assert.h>
using namespace std;namespace zsy
{template<class T>class vector{public:typedef T* iterator;typedef const T* const_iterator;//默认构造函数vector() = default;//构造函数vector(size_t n, const T& val = T())//T()表示T类型的默认构造值（如int()是 0，string()是空字符串）{reserve(n);for (size_t i = 0; i < n; i++){push_back(val);}}vector(int n, const T& val = T()){reserve(n);for (int i = 0; i < n; i++){push_back(val);}}//类模板的成员函数，还可以继续是函数模版template<class InputIterator>vector(InputIterator first, InputIterator last){while (first != last){push_back(*first);++first;}}//拷贝构造vector(const vector<T>& v){reserve(v.size());for (auto e : v){push_back(e);}}~vector(){if (_start){delete[] _start;_start = _finish = _end_of_storage = nullptr;}}//v3 = v1 赋值void clear(){_start = _finish;}/*vector<T>& operator=(const vector<T>& v){if (this != &v){clear();reserve(v, size());for (auto& e : v){push_back(e);}}return *this;}*/void swap(vector<T>& v){std::swap(_start, v._start);std::swap(_finish, v._finish);std::swap(_end_of_storage, v._end_of_storage);}//v3 = v1 赋值vector<T>& operator=(vector<T> v)//传参会调用拷贝构造{swap(v);return *this;}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;//[_start _finish) 左闭右开区间}size_t capacity() const{return _end_of_storage - _start;}bool empty() const{return _start == _finish;}void reserve(size_t n){if (n > capacity()){size_t old_size = size();T* tmp = new T[n];//memcpy(tmp, _start, old_size * sizeof(T));for (size_t i = 0; i < old_size; i++){tmp[i] = _start[i];}delete[] _start;_start = tmp;_finish = tmp + old_size;_end_of_storage = tmp + n;}}void resize(size_t n, T val = T()){if (n < size()){_finish = _start + n;}else{reserve(n);while (_finish < _start + n){*_finish = val;++_finish;}}}void push_back(const T& x){//扩容if (_finish == _end_of_storage){reserve(capacity() == 0 ? 4 : 2 * capacity());}*_finish = x;_finish++;}void pop_back(){assert(!empty());--_finish;}iterator insert(iterator pos, const T& x){//扩容if (_finish == _end_of_storage){size_t len = pos - _start;reserve(capacity() == 0 ? 4 : 2 * capacity());//更新pospos = _start + len;}iterator end = _finish - 1;while (end >= pos){*(end + 1) = *end;--end;}*pos = x;++_finish;return pos;}iterator erase(iterator pos){assert(pos >= _start && pos < _finish);iterator it = pos + 1;while (it != end()){*(it - 1) = *it;it++;}--_finish;return pos;}T& operator[](size_t i){assert(i < size());return _start[i];}const T& operator[](size_t i) const{assert(i < size());return _start[i];}private:iterator _start = nullptr;iterator _finish = nullptr;iterator _end_of_storage = nullptr;};//类外template<class T>void print_vector(const vector<T>& v){//规定:没有实例化的类模板里面取东西，编译器不能区分这里是类型还是静态成员变量//typename vector<T>::const_iterator it = v.begin();//auto //while (it != v.end())//{//	cout << *it << " ";//	it++;//}//cout << endl;for (auto e : v){cout << e << " ";}cout << endl;}template<class Container>void print_container(const Container& v){for (auto e : v){cout << e << " ";}cout << endl;}}

2）Test.cpp

此文件用于测试模拟实现的各种vector的接口。

#include"vector.h"namespace zsy
{void test1(){vector<int> v;v.reserve(20);//预留空间cout << v.capacity() << endl;v.push_back(1);//尾插v.push_back(2);v.push_back(3);v.push_back(4);v.pop_back();//尾删print_vector(v);}void test2(){vector<int> v1;v1.reserve(10);v1.insert(v1.begin(), 1);//插入v1.insert(v1.begin(), 2);v1.insert(v1.begin(), 3);v1.insert(v1.begin(), 4);print_vector(v1);v1[0] = 10;//[]print_vector(v1);v1.erase(v1.begin());//删除print_vector(v1);}void test3(){vector<int> v1;v1.push_back(1);v1.push_back(2);v1.push_back(3);v1.push_back(4);print_vector(v1);vector<int> v2 = v1;//拷贝构造print_vector(v2);vector<int> v3;v3 = v1;//赋值print_vector(v3);}void test4(){vector<int> v1(10, 1);//构造print_vector(v1);vector<int> v2(v1.begin() + 1, v1.end() - 1);//构造print_container(v2);vector<string> v3(10, "hello");print_container(v3);//打印容器list<int> lt;lt.push_back(10);lt.push_back(20);lt.push_back(30);lt.push_back(40);print_container(lt);}void test5(){vector<int> v1(10, 1);print_container(v1);v1.resize(15, 2);print_container(v1);}//迭代器失效问题void test6(){vector<int> v;v.push_back(1);v.push_back(2);v.push_back(3);v.push_back(4);print_vector(v);int x;cin >> x;auto p = find(v.begin(), v.end(), x);if (p != v.end()){//insert以后p就失效了，要访问就要更新这个失效的迭代器的值//v.insert(p, 40);//(*p) *= 10;//更新pp = v.insert(p, 40);(*(p + 1)) *= 10;}print_vector(v);}void test7(){vector<int> v;v.push_back(1);v.push_back(2);v.push_back(3);v.push_back(4);print_vector(v);int x = 0;cin >> x;vector<int>::iterator pos = find(v.begin(), v.end(), x);//使用find查找3所在位置的iteratorif (pos != v.end()){//v.erase(pos);//cout << *pos << endl;//更新pospos = v.erase(pos);cout << *pos << endl;}}}//main函数要定义在全局
int main()
{//zsy:: test1();//zsy::test2();//zsy::test3();//zsy::test4();//zsy::test5();//zsy::test6();zsy::test7();return 0;
}

2、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()
{zsy::vector<zsy::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。

3、动态二维数组理解

以杨辉三角举例：

class Solution {
public:vector<vector<int>> generate(int numRows){vector<vector<int>> vv(numRows);//先全部初始化为1for (size_t i = 0; i < numRows; i++){//为每行开空间vv[i].resize(i + 1, 1);}//从第3行开始处理其他位置for (size_t i = 2; i < vv.size(); i++){for (size_t j = 1; j < vv[i].size() - 1; j++){vv[i][j] = vv[i - 1][j - 1] + vv[i - 1][j];}}return vv;}
};

先构造一个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：

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。