C++面试常见题目6_STL中vector

Vector概述

vector是同一种类型的对象的集合，每个对象都有一个对应的整数索引值。属于序列容器（vector,list,deque）的一种。

vector是一种允许快速随机访问其中元素的线性序列。关键在于其对大小的控制以及重新配置时的数据移动速率。

Vector空间分配策略

vector初始化会分配比客户端需求量更大一些的空间，以便将来可能的扩充。

扩充空间需要经过的步骤：重新分配更大的空间，使用拷贝构造函数进行元素移动，调用析构函数销毁旧对象，最后释放旧内存空间。

具体过程：当添加一个元素时，如果容器已经没有空间容纳新的元素，此时，由于元素必须连续存储以便索引访问，所以不能在内存中随机找个地方存储这个新元素。于是vector必须重新分配存储空间，用来存放原来的元素以及新添加的元素，存放在旧存储空间的元素被复制到新存储空间中，接着插入新元素，最后撤销旧的存储空间。每当vector容器不得不分配新的存储空间时，以加倍当前容量的分配策略实现重新分配。

注意：一旦vector空间重新配置，则指向原来vector的所有迭代器都失效了，因为vector的地址改变了。

Vector的数据结构

Vector的定义摘要

#include<iostream>
using namespace std;
#include<memory.h>  

// alloc是SGI STL的空间配置器
template <class T, class Alloc = alloc>
class vector
{
public:
    // vector的嵌套类型定义,typedefs用于提供iterator_traits<I>支持
    typedef T value_type;
    typedef value_type* pointer;
    typedef value_type* iterator;
    typedef value_type& reference;
    typedef size_t size_type;
    typedef ptrdiff_t difference_type;

protected:
    // 这个提供STL标准的allocator接口
    typedef simple_alloc <value_type, Alloc> data_allocator;

    iterator start;               // 表示目前使用空间的头
    iterator finish;              // 表示目前使用空间的尾
    iterator end_of_storage;      // 表示实际分配内存空间的尾

    void insert_aux(iterator position, const T& x);

    // 释放分配的内存空间
    void deallocate()
    {
        if (start)
            data_allocator::deallocate(start, end_of_storage - start);
    }

    //填充并予以初始化
    void fill_initialize(size_type n, const T& value)
    {
        start = allocate_and_fill(n, value);
        finish = start + n;              
        end_of_storage = finish;
    }

public:
    iterator begin() { return start; }
    iterator end() { return finish; }

    size_type size() const { return size_type(end() - begin()); }
    size_type max_size() const { return size_type(-1) / sizeof(T); }
    size_type capacity() const { return size_type(end_of_storage - begin()); }
    bool empty() const { return begin() == end(); }
    reference operator[](size_type n) { return *(begin() + n); }

    //默认构造函数不分配内存空间
    vector() : start(0), finish(0), end_of_storage(0) {}

    vector(size_type n, const T& value) { fill_initialize(n, value); }
    vector(int n, const T& value) { fill_initialize(n, value); }
    vector(long n, const T& value) { fill_initialize(n, value); }
    
    //需显示调用的构造函数
    explicit vector(size_type n) { fill_initialize(n, T()); }

    ~vector()
    {
        destroy(start, finish);
        deallocate();
    }

    // 提供访问函数
    reference front() { return *begin(); }
    reference back() { return *(end() - 1); }

  
    void push_back(const T& x)
    {
        // 内存满足条件则直接追加元素, 否则需要重新分配内存空间
        if (finish != end_of_storage)
        {
            construct(finish, x);
            ++finish;
        }
        else
            insert_aux(end(), x);
    }


    iterator insert(iterator position, const T& x)
    {
        size_type n = position - begin();
        if (finish != end_of_storage && position == end())
        {
            construct(finish, x);
            ++finish;
        }
        else
            insert_aux(position, x);
        return begin() + n;
    }

    iterator insert(iterator position) { return insert(position, T()); }

    void pop_back()
    {
        --finish;
        destroy(finish);
    }

    iterator erase(iterator position)
    {
        if (position + 1 != end())
            //后续元素向前移
            copy(position + 1, finish, position);
        --finish;
        destroy(finish);
        return position;
    }


    iterator erase(iterator first, iterator last)
    {
        iterator i = copy(last, finish, first);
        destroy(i, finish);
        finish = finish - (last - first);
        return first;
    }

    // 调整size, 但是并不会重新分配内存空间
    void resize(size_type new_size, const T& x)
    {
        if (new_size < size())
            erase(begin() + new_size, end());
        else
            insert(end(), new_size - size(), x);
    }
    void resize(size_type new_size) { resize(new_size, T()); }

    void clear() { erase(begin(), end()); }

protected:
    // 配置空间并填满内容
    iterator allocate_and_fill(size_type n, const T& x)
    {
        iterator result = data_allocator::allocate(n);
        uninitialized_fill_n(result, n, x);
        return result;
    }
};

Vector的构造与内存管理

    void push_back(const T& x)
    {
        // 内存满足条件则直接追加元素, 否则需要重新分配内存空间
        if (finish != end_of_storage)
        {
            construct(finish, x);
            ++finish;
        }
        else
            insert_aux(end(), x);
    }

    //空间不足，重新分配空间的具体操作
    template <class T, class Alloc>
    void insert_aux(iterator position, const T& x)
    {
        if (finish != end_of_storage)    // 还有备用空间
        {
            // 在备用空间起始处构造一个元素，并以vector最后一个元素值为其初值
            construct(finish, *(finish - 1));
            ++finish;
            T x_copy = x;
            copy_backward(position, finish - 2, finish - 1);
            *position = x_copy;
        }
        else   // 已无备用空间
        {
            const size_type old_size = size();
            const size_type len = old_size != 0 ? 2 * old_size : 1;
            // 以上配置元素：如果大小为0，则配置1（个元素大小）
            // 如果大小不为0，则配置原来大小的两倍
            // 前半段用来放置原数据，后半段准备用来放置新数据

            iterator new_start = data_allocator::allocate(len);  // 实际配置
            iterator new_finish = new_start;
            // 将内存重新配置
            try
            {
                // 将原vector的安插点以前的内容拷贝到新vector
                new_finish = uninitialized_copy(start, position, new_start);
                // 为新元素设定初值 x
                construct(new_finish, x);
                // 调整水位
                ++new_finish;
                // 将安插点以后的原内容也拷贝过来
                new_finish = uninitialized_copy(position, finish, new_finish);
            }
            catch(...)
            {
                // 回滚操作
                destroy(new_start, new_finish);
                data_allocator::deallocate(new_start, len);
                throw;
            }
            // 析构并释放原vector
            destroy(begin(), end());
            deallocate();

            // 调整迭代器，指向新vector
            start = new_start;
            finish = new_finish;
            end_of_storage = new_start + len;
        }
    }

Vector的元素操作：代码为insert

    template <class T, class Alloc>
    void insert(iterator position, size_type n, const T& x)
    {
        // 如果n为0则不进行任何操作
        if (n != 0)
        {
            if (size_type(end_of_storage - finish) >= n)
            {      
                // 剩下的备用空间大于等于“新增元素的个数”
                T x_copy = x;
                // 以下计算插入点之后的现有元素个数
                const size_type elems_after = finish - position;
                iterator old_finish = finish;
                if (elems_after > n)
                {
                    // 插入点之后的现有元素个数 大于 新增元素个数
                    uninitialized_copy(finish - n, finish, finish);
                    finish += n;    // 将vector 尾端标记后移
                    copy_backward(position, old_finish - n, old_finish);
                    fill(position, position + n, x_copy); // 从插入点开始填入新值
                }
                else
                {
                    // 插入点之后的现有元素个数 小于等于 新增元素个数
                    uninitialized_fill_n(finish, n - elems_after, x_copy);
                    finish += n - elems_after;
                    uninitialized_copy(position, old_finish, finish);
                    finish += elems_after;
                    fill(position, old_finish, x_copy);
                }
            }
            else
            {   // 剩下的备用空间小于“新增元素个数”（那就必须配置额外的内存）
                // 首先决定新长度：就长度的两倍 ， 或旧长度+新增元素个数
                const size_type old_size = size();
                const size_type len = old_size + max(old_size, n);
                // 以下配置新的vector空间
                iterator new_start = data_allocator::allocate(len);
                iterator new_finish = new_start;
                __STL_TRY
                {
                    // 以下首先将旧的vector的插入点之前的元素复制到新空间
                    new_finish = uninitialized_copy(start, position, new_start);
                    // 以下再将新增元素（初值皆为n）填入新空间
                    new_finish = uninitialized_fill_n(new_finish, n, x);
                    // 以下再将旧vector的插入点之后的元素复制到新空间
                    new_finish = uninitialized_copy(position, finish, new_finish);
                }
#         ifdef  __STL_USE_EXCEPTIONS
                catch(...)
                {
                    destroy(new_start, new_finish);
                    data_allocator::deallocate(new_start, len);
                    throw;
                }
#         endif /* __STL_USE_EXCEPTIONS */
                destroy(start, finish);
                deallocate();
                start = new_start;
                finish = new_finish;
                end_of_storage = new_start + len;
            }
        }
    }

本系列文章目的为个人准备面试的简单总结，文中多有不足，敬请批评指正!

参考：

https://blog.csdn.net/terence1212/article/details/52293135