【C++】——解析vector

彼时的少年站在成长的尽头，回首过去，一路崎岖早已繁花盛开。

—— 八月长安 《你好，旧时光》

1、vector的介绍与使用

将进行对vector的解析，先简单的理解一下初步功能。（大部分与string相似）

使用STL的三个境界：能用，明理，能扩展 ，那么下面的vector，也是按照这个方法去学习。

1.1认识vector

vector文档介绍

<1>vector是表示数组的序列容器，其大小可以动态变化。

<2>与数组一样，vector使用连续的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，与数组不同的是，vector的大小可以动态变化，存储空间将由容器自动管理。

<3>内部空间，vector使用一个动态分配的数组来存储其元素。当插入新元素时，这个数组可能需要重新分配以增加大小，这意味着需要分配一个新的数组并将所有元素移到新的数组中。这是一个相对代价高的处理操作，因此，vector在每次添加元素时并不会重新分配空间。

<4>相反，vector容器可能会预先分配一些额外的存储空间以应对可能的增长，因此容器的实际容量可能会大于容纳当前元素所需的存储空间（即其大小）。不同的库可以实现不同的增长策略，以在内存使用和重新分配之间取得平衡，但无论采用哪种策略，重新分配应仅发生在大小呈对数增长的间隔内，以便末尾插入元素的操作可以实现的常数时间复杂度。

<5>因此，与数组相比，vector在管理存储和动态增长方面消耗更多的内存，但提供了更高效的管理方式。

<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。

底层成员

vector的底层实现是如何做到的呢？，首先就要了解其类成员是如何定义的，这样我们才能更好的复刻vector（以下是1996年的STL版本，还比较简单）：

protected:
  typedef simple_alloc<value_type, Alloc> data_allocator;
  iterator start; 
  iterator finish;
  iterator end_of_storage //容量结束;

事实上 iterator 是经过typedef 的

typedef T value_type;
typedef value_type* iterator;

1.2vector的使用

<1>vector 的定义

使用代码：

void test_vector1()//vectot的构造
{
	vector<int> first;                                // empty vector of ints
	vector<int> second(4, 100);                       // four ints with value 100
	vector<int> third(++second.begin(), --second.end());  // iterating through second
	vector<int> fourth(third);                       // a copy of third

	//迭代器也可以用数组初始化
	int myints[] = { 20,1,64,55 };
	vector<int> fifth(myints, myints + sizeof(myints) / sizeof(int));

	cout << "The contents of fifth are:";
	for (vector<int>::iterator it = fifth.begin(); it != fifth.end(); ++it)
		cout << ' ' << *it;
	cout << '\n';
}

<2>vector iterator 的使用

迭代器的使用案例：

void PrintVector(const vector<int>& v)
{
	// const对象使用const迭代器进行遍历打印
	vector<int>::const_iterator it = v.begin();
	while (it != v.end())
	{
		cout << *it << " ";
		++it;
	}
	cout << endl;
}
void test_vector2()//迭代器的使用
{
	//插入4个数据
	vector<int> v1;
	v1.push_back(3);
	v1.push_back(0);
	v1.push_back(4);
	v1.push_back(6);

	//正向迭代器遍历
	vector<int>::iterator it = v1.begin();
	while (it != v1.end())
	{
		cout << *it << ' ';
		++it;
	}
	cout << endl;
	//修改
	it = v1.begin();
	while (it != v1.end())
	{
		(*it) *= 2;
		cout << *it << ' ';
		++it;
	}
	cout << endl;

	//反向迭代器遍历
	//vector<int>::reverse_iterator rit = v1.rbegin();
	auto rit = v1.rbegin();
	while (rit != v1.rend())
	{
		cout << *rit << ' ';
		++rit;
	}
	cout << endl;
	PrintVector(v1);
}

<3>vector 空间增长问题

• 来测试一下vector的扩容机制：

// 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:\n";
 for (int i = 0; i < 100; ++i) 
 {
 v.push_back(i);
 if (sz != v.capacity()) 
 {
 sz = v.capacity();
 cout << "capacity changed: " << sz << '\n';
 }
 }
}

运行结果：

Tip：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

• vector的reserve预留机制

vector与string的reserve接口不同的是：vector在n小于当前容量的情况下，函数调用不会导致重新分配，容量也不会受到影响（强制性）；而string在该情况下，被视为缩小字符串容量的非绑定请求：容器实现可以自由地进行优化 （不具有约束力的请求：比如vs下不会缩容，g++会）

void test_vector3()
{
	vector<int>v(10, 1);
	cout << v.size() << endl;
	cout << v.capacity() << endl;
	cout << endl;

	v.reserve(20);
	cout << v.size() << endl;
	cout << v.capacity() << endl;
	cout << endl;

	v.reserve(15);
	cout << v.size() << endl;
	cout << v.capacity() << endl;
	cout << endl;

	v.reserve(5);
	cout << v.size() << endl;
	cout << v.capacity() << endl;
	cout << endl;
}

vs与g++下与文档一致：不缩容！！

Tip：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 。

// 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<int> v;
 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';
 }
 }
}

• resize在开空间的同时还会进行初始化，影响size，测试resize机制

void test_vector3()//测试 reserve resize 机制
{
	vector<int>v(10, 1);
	cout << v.size() << endl;
	cout << v.capacity() << endl;
	cout << endl;

	v.reserve(20);
	cout << v.size() << endl;
	cout << v.capacity() << endl;
	cout << endl;

	v.resize(15,1);
	cout << v.size() << endl;
	cout << v.capacity() << endl;
	cout << endl;

	v.resize(25,2);
	cout << v.size() << endl;
	cout << v.capacity() << endl;
	cout << endl;

	v.resize(5);
	cout << v.size() << endl;
	cout << v.capacity() << endl;
	cout << endl;
}

<4>vector 的增删查改

void test_vector4()//测试增删查改
{
	vector<int>v1(5, 1);
	v1.push_back(2);
	v1.insert(v1.begin(), 0);//模拟头插
	PrintVector(v1);
	//在下标为3的位置插入5 需要移动数据 效率较低
	v1.insert(v1.begin() + 3, 5);
	PrintVector(v1);
}

// 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 test_vector5()
{
	// 使用列表方式初始化，C++11新语法
	vector<int> v{ 1, 2, 3, 4 };

	// 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 也可以理解为下标为pos处数据30
		v.insert(pos, 30);
	}
	PrintVector(v);
	pos = find(v.begin(), v.end(), 3);
	// 删除pos位置的数据
	v.erase(pos);
	PrintVector(v);
}

注： operator[ ]与at() 区别：

• operator[] 方法在访问元素时不会检查索引是否越界。如果索引超出了容器的边界，它不会抛出异常，而是返回一个指向容器内部某个位置的引用。
• at() 方法在访问元素时会检查索引是否越界。如果索引超出了容器的边界，它会抛出一个std::out_of_range异常。

<5>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：

• 野指针

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。 vs下系统会强制检查，访问就会报错 

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

void testvector1()//迭代器失效
{
	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。
	while (it != v.end())
	{
		cout << *it << " ";
		++it;
	}
	cout << endl;
}

• 指定位置的删除操作erase

void testvector2()
{
	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编译器就认为该位置迭代器失效了。

删除所有偶数代码：

int main()
{
	vector<int> v{ 1, 2, 3, 4 ,6,7,8};
	auto it = v.begin();
	while (it != v.end())
	{
		if (*it % 2 == 0)
			it = v.erase(it);//更新迭代器而且删除一个元素 it已经到下一个位置了
                              // 所以else才++
		else
			++it;
	}
	PrintVector(v);
	return 0;
}

• 失去原有意义

没有发生扩容，但迭代器指向位置已经没有意义，由于数据挪动，迭代器已经不是指向原来的数字而是指向修改后的数，所以insert以后我们认为迭代器也失效了  

int main()
{
	vector<int> v;
	v.push_back(1);
	v.push_back(2);
	v.push_back(3);
	v.push_back(4);
	v.push_back(5);
	PrintVector(v);
	int x;
	cin >> x;// 输入2
	auto p = find(v.begin(), v.end(), x);
	if (p != v.end())
	{
		p = v.insert(p, 20);
		//此时p已经不是指向原来的2了，我们认为是迭代器失效
		//期望2*10 但是结果是插入的 20*10
		(*p) *= 10;
	}
	PrintVector(v);
	return 0;
}

Linux下的迭代器失效

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

• 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

• erase导致的迭代器失效

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 

int main()
{
	vector<int> v{ 1,2,3,4,5 };
	auto it = find(v.begin(), v.end(), 3);
	v.erase(it);
	cout << *it << endl;
	while (it != v.end())
	{
		cout << *it << " ";
		++it;
	}
	return 0;
}

程序可以正常运行，并打印：

4

4 5

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。

• 其他容器（string） 

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

几乎所有的容器erase后都会发生迭代器失效，insert看情况。

#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,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指向的已经释放了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 指向了下一个数据
		// 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。