STL常用梳理——VECTOR常用接口及其迭代器实现

Vector介绍

vector是STL中容器之一，特性如下：

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

Vector实现

常见接口函数罗列：

1、定义

(constructor)构造函数声明	接口说明
vector()	无参构造函数
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

默认构造函数使用

int main()
{
    
    
	vector<int> first;//无参构造
	vector<int> second(4, 0);//使用4个0初始化构造
	vector<int> third(second.begin(), second.end());//迭代器区间构造
	vector<int> fourth(third);//拷贝构造，使用third构造
	return 0;
}

运行结果

实现

//无参构造
   			  vector()
                :_start(nullptr)
                ,_finish(nullptr)
                , _endOfStorage(nullptr)
            {
    
    
                
            }
//构造并初始化n个value
            vector(int n, const T& value = T())
                :_start(nullptr)
                , _finish(nullptr)
                , _endOfStorage(nullptr)
            {
    
    
                reserve(n);//是否需要扩容
                for (size_t i = 0; i < n; i++)
                {
    
    
                    push_back(value);
                }
            }
//迭代器区间构造
         template<class inputiterator>
         vector(inputiterator first, inputiterator last)
             :_start(nullptr)
             ,_finish(nullptr)
             ,_endofstorage(nullptr)
         {
    
    
             while (first != last)
             {
    
    
                 push_back(*first);
                 first++;
             }
         }
//拷贝构造
         vector(const vector<T>& v)
         {
    
    
             _start = new T[v.capacity()];
             for (int i = 0; i < v.size(); i++)
             {
    
    
                 _start[i] = v._start[i];
             }
             _finish = _start + v.size();
             _endOfStorage = _start + v.capacity();
       
         }

涉及资源管理一般都是开空间，拷贝数据。

2、迭代器Iterator

对于Vector内部实现访问，修改可以很实用迭代器来进行

iterator的使用	接口说明
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

迭代器使用

int main()
{
    
    
	vector<int> v;
	v = {
    
     1,2,3,4,5,6,7,8 };
	vector<int>::iterator It = v.begin();
	//1、使用迭代器遍历
	/*for (It; It != v.end(); It++)
	{
		cout << *It << " ";
	}
	cout << endl;*/
	//2
	auto it = v.begin();
	for (auto e : v)
	{
    
    
		cout << e << " ";
	}
	cout << endl;
	
//修改遍历
	for (It; It != v.end(); It++)
	{
    
    
		cout << ( * It * 2) << " ";
	}
	cout << endl;

	return 0;
}

运行结果

对于迭代器使用还有一个C++中支持的范围for（语法糖），auto会自己识别=右边类型，底层也是迭代器。

for(auto e:v)

3、空间增长问题

容量空间	接口说明
resize	改变vector的size
reserve	改变vector的capacity

使用

int main()
{
    
    
	vector<int> ve;
	ve.resize(10, 0);
	cout <<"size:" << ve.size() << endl;
	cout <<"capacity:"<< ve.capacity() << endl;

	ve.reserve(40);
	cout << "size:" << ve.size() << endl;
	cout << "capacity:" << ve.capacity() << endl;
}

运行结果：

实现

		 void reserve(size_t n)
        {
    
    
            if (n > capacity())
            {
    
    
                T* tmp = new T[n];
                size_t sz = size();//保存原来size

                if (_start)
                {
    
    
                    //深拷贝
                    for (int i = 0; i <sz; i++)
                    {
    
    
                        tmp[i] = _start[i];
                    }
                    delete[] _start;
                }
                _start = tmp;
                _finish = _start + sz;
                _endOfStorage = _start + n;
            }

        }
         void resize(size_t n, const T& value = T())
        {
    
    
            //减小个数
            if (n < size())
            {
    
    
                _finish = _start + n;
            }
            else
            {
    
    
                //扩容
                if (n > capacity())
                {
    
    
                    reserve(n);
                }

                while (_finish!=_start+n)
                {
    
    
                    *_finish = value;
                    _finish++;
                }
            }
        }

对于vector中的size和capacity可以和数据结构中的顺序表来对比实现。对于reserve使用一般会考虑在扩容时使用，一般不会使用缩容这个行为。缩容会对效率，和空间释放上造成困难。不支持部分空间释放。resize可以对于空间开辟加初始化。

迭代器

迭代器介绍

InputIterator：输入迭代器。支持对容器元素的逐个遍历，以及对元素的读取（input)；
OutputIterator：输出迭代器。支持对容器元素的逐个遍历，以及对元素的写入（output)。
ForwardIterator：前向迭代器。向前逐个遍历元素。可以对元素读取；
BidirectionalIterator：双向迭代器。支持向前向后逐个遍历元素，可以对元素读取。
RandomAccessIterator：随机访问迭代器。支持O(1)时间复杂度对元素的随机位置访问，支持对元素的读取。

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)。

 // Vector的迭代器是一个原生指针
        typedef T* iterator;
        typedef const T* const_iterator;

         iterator begin()
        {
    
    
            return _start;
        }

        iterator end()
        {
    
    
            return _finish;
        }

        const_iterator cbegin()const 
        {
    
    
            return _start;
        }

        const_iterator cend() const
        {
    
    
            return _finish;
        }

这样的代码书写只能使用在底层空间连续的数据结构中。就不太符合迭代器出现的意义。可以采用一个类来进行封装。

迭代器实现

//反向迭代器
namespace uu
{
    
    
	template<class Iterator, class Ref, class Ptr>
	struct ReverseIterator
	{
    
    
		typedef ReverseIterator<Iterator, Ref, Ptr> Self;
		Iterator _cur;

		ReverseIterator(Iterator it)
			:_cur(it)//正向迭代器构造
		{
    
    }

		Ref operator*()
		{
    
    
			Iterator tmp = _cur;
			--tmp;
			return *tmp;
		}

		Self& operator++()
		{
    
    
			--_cur;
			return *this;
		}

		Self& operator--()
		{
    
    
			++_cur;
			return *this;
		}

		bool operator!=(const Self& s)
		{
    
    
			return _cur != s._cur;
		}
	};
}

迭代器失效问题主要在于对于vector中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。

失效原因：扩容时就会改变底层空间改变，主要就是扩容会释放旧空间，但是迭代器底层是指针，旧空间被释放掉，但是指针指向还是在旧空间中，就会形成野指针。第二次访问就会出错。
解决方法：使用插入位置与头指针的相对位置来进行新空间的位置更新。并返回插入位置。

  iterator insert(iterator pos, const T& x)
            {
    
    
                assert(_start <= pos);
                assert(pos<= _finish);

                if (_start == _endOfStorage)
                {
    
    
                    size_t len = pos - _start;//计算相对位置

                    reserve(capacity() == 0 ? 8 : capacity() * 2);

                    pos = _start + len;//防止野指针，迭代器失效，更新
                }
                iterator end = _finish - 1;
                while (end>=pos)
                {
    
    
                    *(end + 1) = *(end);
                    end--;
                }
                *(pos) = x;
                _finish++;
                
                 return pos;//解决pos再次被使用，迭代器失效
            }

失效原因：删除指定位置后，数据会向前移，底层空间没有改变。但是位置在最后一个数据的位置就会出现越界，end在有效区间外就会失效。
解决方法：返回迭代器的位置。

 iterator erase(iterator pos)
            {
    
    
                assert(pos >= _start);
                assert(pos < _finish);

                iterator start =pos + 1;//避免pos=0；头删越界,类型是迭代器

                while (start != _finish)
                {
    
    
                    *(start - 1) = *(start);
                    start++;
                }
                _finish--;

                return pos;
            }

对于底层空间连续的数据结构都会使用[]来进行数据访问修改，这样可以避免迭代器失效问题。更加便捷。