STL中vector的用法以及模拟实现 川长思鸟来 2023-09-28 14:34 1阅读 0赞 ### STL中vector的用法以及模拟实现 ### * 一、vector的介绍及使用 * * 1、vector的介绍 * 2、vector的使用 * * 2.1 vector的定义 * 2.2 vector iterator 的使用 * 2.3 vector 空间增长问题 * 2.4 vector 增删查改 * 二、vector 迭代器失效 * 三、vector深度剖析及模拟实现 * * 1、实现代码 * 2、使用memcpy拷贝问题 * 3、使用模拟实现的vector实现杨辉三角中的深层次拷贝问题 * * 3.1 vector的深层次拷贝问题 * 3.2 解决方法——更新reserve函数 # 一、vector的介绍及使用 # ## 1、vector的介绍 ## [vector文档][vector] 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（deques, lists and forward\_lists）， 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lists和forward\_lists统一的迭代器和引用更好。 ## 2、vector的使用 ## ### 2.1 vector的定义 ### <table> <thead> <tr> <th align="left"><a href="https://cplusplus.com/reference/vector/vector/vector/" rel="nofollow">构造函数</a></th> <th>说明</th> </tr> </thead> <tbody> <tr> <td align="left">vector()</td> <td>无参构造</td> </tr> <tr> <td align="left">vector（size_type n, const value_type& val = value_type()）</td> <td>构造并初始化n个val</td> </tr> <tr> <td align="left">vector (const vector& x)</td> <td>拷贝构造</td> </tr> <tr> <td align="left">vector (InputIterator first, InputIterator last)</td> <td>利用迭代器区间构造</td> </tr> </tbody> </table> 用法： // constructing vectors #include <iostream> #include <vector> int main () { // constructors used in the same order as described above: std::vector<int> first; // empty vector of ints std::vector<int> second (4,100); // four ints with value 100 std::vector<int> third (second.begin(),second.end()); // iterating through second std::vector<int> fourth (third); // a copy of third // 下面涉及迭代器初始化的部分，我们学习完迭代器再来看这部分 // the iterator constructor can also be used to construct from arrays: int myints[] = { 16,2,77,29}; std::vector<int> fifth (myints, myints + sizeof(myints) / sizeof(int) ); std::cout << "The contents of fifth are:"; for (std::vector<int>::iterator it = fifth.begin(); it != fifth.end(); ++it) std::cout << ' ' << *it; std::cout << '\n'; return 0; } ### 2.2 vector iterator 的使用 ### <table> <thead> <tr> <th align="left">iterator的使用</th> <th>说明</th> </tr> </thead> <tbody> <tr> <td align="left"><a href="https://cplusplus.com/reference/vector/vector/begin/" rel="nofollow">begin</a> + <a href="https://cplusplus.com/reference/vector/vector/end/" rel="nofollow">end</a></td> <td>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</td> </tr> <tr> <td align="left"><a href="https://cplusplus.com/reference/vector/vector/rbegin/" rel="nofollow">rbegin</a> + <a href="https://cplusplus.com/reference/vector/vector/rend/" rel="nofollow">rend</a></td> <td>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</td> </tr> </tbody> </table> * begin和end图示： ![c8564cc6d2f84e77936b39aac5992dfc.png][] * rbegin和rend图示： ![2344cf7e1d6d4f54ba65c4d769b7cacf.png][] * 用法举例： #include <iostream> #include <vector> using namespace std; 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; } int main() { // 使用push_back插入4个数据 vector<int> v; v.push_back(1); v.push_back(2); v.push_back(3); v.push_back(4); // 使用迭代器进行遍历打印 vector<int>::iterator it = v.begin(); while (it != v.end()) { cout << *it << " "; ++it; cout << endl; // 使用迭代器进行修改 it = v.begin(); while (it != v.end()) { *it *= 2; ++it; } // 使用反向迭代器进行遍历再打印 vector<int>::reverse_iterator rit = v.rbegin(); while (rit != v.rend()) { cout << *rit << " "; ++rit; } cout << endl; PrintVector(v); return 0; } } ### 2.3 vector 空间增长问题 ### <table> <thead> <tr> <th align="left">函数</th> <th>说明</th> </tr> </thead> <tbody> <tr> <td align="left"><a href="https://cplusplus.com/reference/vector/vector/size/" rel="nofollow">size</a></td> <td>获取数据个数</td> </tr> <tr> <td align="left"><a href="https://cplusplus.com/reference/vector/vector/capacity/" rel="nofollow">capacity</a></td> <td>获取容器容量</td> </tr> <tr> <td align="left"><a href="https://cplusplus.com/reference/vector/vector/empty/" rel="nofollow">empty</a></td> <td>判断容器是否为空</td> </tr> <tr> <td align="left"><a href="https://cplusplus.com/reference/vector/vector/resize/" rel="nofollow">resize</a></td> <td>改变vector的size</td> </tr> <tr> <td align="left"><a href="https://cplusplus.com/reference/vector/vector/reserve/" rel="nofollow">reserve</a></td> <td>预留空间</td> </tr> </tbody> </table> 值得一提的是： * 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，顺序表增容都是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。 * 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**。 ### 2.4 vector 增删查改 ### <table> <thead> <tr> <th align="left">vector增删查改 函数</th> <th>说明</th> </tr> </thead> <tbody> <tr> <td align="left"><a href="https://cplusplus.com/reference/vector/vector/push_back/" rel="nofollow">push_back</a></td> <td>尾插</td> </tr> <tr> <td align="left"><a href="https://cplusplus.com/reference/vector/vector/pop_back/" rel="nofollow">pop_back</a></td> <td>尾删</td> </tr> <tr> <td align="left"><a href="https://cplusplus.com/reference/algorithm/find/?kw=find" rel="nofollow">find</a></td> <td>查找（注意这个是算法模块实现，不是vector的成员接口）</td> </tr> <tr> <td align="left"><a href="https://cplusplus.com/reference/vector/vector/insert/" rel="nofollow">insert</a></td> <td>在position之前插入val</td> </tr> <tr> <td align="left"><a href="https://cplusplus.com/reference/vector/vector/erase/" rel="nofollow">erase</a></td> <td>删除position位置的数据</td> </tr> <tr> <td align="left"><a href="https://cplusplus.com/reference/vector/vector/swap/" rel="nofollow">swap</a></td> <td>交换两个vector的数据空间</td> </tr> <tr> <td align="left"><a href="https://cplusplus.com/reference/vector/vector/operator%5B%5D/" rel="nofollow">operator[]</a></td> <td>重载[] ,使其能像数组一样访问</td> </tr> </tbody> </table> 用法举例： * push\_back/pop\_back #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 it = v.begin(); while (it != v.end()) { cout << *it << " "; ++it; } cout << endl; v.pop_back(); v.pop_back(); it = v.begin(); while (it != v.end()) { cout << *it << " "; ++it; } cout << endl; return 0; } * find / insert / erase #include <iostream> #include <algorithm> #include <vector> using namespace std; int main() { 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); // 在pos位置之前插入30 v.insert(pos, 30); vector<int>::iterator it = v.begin(); while (it != v.end()) { cout << *it << " "; ++it; } cout << endl; pos = find(v.begin(), v.end(), 3); // 删除pos位置的数据 v.erase(pos); it = v.begin(); while (it != v.end()) { cout << *it << " "; ++it; } cout << endl; return 0; } * operator\[\]+index 和 C++11中vector的新式for+auto的遍历 #include <iostream> #include <vector> using namespace std; int main() { int a[] = { 1, 2, 3, 4 }; vector<int> v(a, a + sizeof(a) / sizeof(int)); // 通过[]读写第0个位置。 v[0] = 10; cout << v[0] << endl; // 通过[i]的方式遍历vector for (size_t i = 0; i < v.size(); ++i) cout << v[i] << " "; cout << endl; vector<int> swapv; swapv.swap(v); cout << "v data:"; for (size_t i = 0; i < v.size(); ++i) cout << v[i] << " "; cout << endl; cout << "swapv data:"; for (size_t i = 0; i < swapv.size(); ++i) cout << swapv[i] << " "; cout << endl; // C++11支持的新式范围for遍历 for(auto x : v) cout<< x << " "; cout<<endl; return 0; } # 二、vector 迭代器失效 # 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，都有可能是迭代器失效，比如：resize、reserve、insert、assign、push\_back等 例如： #include <iostream> using namespace std; #include <vector> int main() { 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。 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。 */ while(it != v.end()) { cout<< *it << " " ; ++it; } cout<<endl; return 0; } 1. 指定位置元素的删除操作 ：erase 例如： #include <iostream> using namespace std; #include <vector> int main() { 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 return 0; } 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。 **迭代器失效解决办法：在使用前，对迭代器重新赋值即可。** # 三、vector深度剖析及模拟实现 # ## 1、实现代码 ## #pragma once #include<iostream> #include<assert.h> using std::cout; using std::endl; namespace my_vector { template<class T> class vector { public: typedef T* iterator; typedef const T* const_iterator; vector() :_start(nullptr) , _finish(nullptr) , _endofstoage(nullptr) { } template <class InputIterator> vector(InputIterator first, InputIterator last) : _start(nullptr) , _finish(nullptr) , _endofstoage(nullptr) { while (first != last) { push_back(*first); ++first; } } vector(size_t n, const T& val = T()) : _start(nullptr) , _finish(nullptr) , _endofstoage(nullptr) { reserve(n); for (size_t i = 0; i < n; ++i) { push_back(val); } } vector(int n, const T& val = T()) : _start(nullptr) , _finish(nullptr) , _endofstoage(nullptr) { reserve(n); for (int i = 0; i < n; ++i) { push_back(val); } } void swap(vector<T>& v) { std::swap(_start, v._start); std::swap(_finish, v._finish); std::swap(_endofstoage, v._endofstoage); } // 休息11：37继续 //vector(const vector& v); vector(const vector<T>& v) : _start(nullptr) , _finish(nullptr) , _endofstoage(nullptr) { vector<T> tmp(v.begin(), v.end()); swap(tmp); } //vector& operator=(vector v) vector<T>& operator=(vector<T> v) { swap(v); return *this; } // 资源管理 ~vector() { if (_start) { delete[] _start; _start = _finish = _endofstoage = nullptr; } } 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 _endofstoage - _start; } void reserve(size_t n) { size_t sz = size(); if (n > capacity()) { T* tmp = new T[n]; if (_start) { memcpy(tmp, _start, size()*sizeof(T)); delete[] _start; } _start = tmp; } _finish = _start + sz; _endofstoage = _start + n; } //void resize(size_t n, const T& val = T()) void resize(size_t n, T val = T()) { if (n > capacity()) { reserve(n); } if (n > size()) { while (_finish < _start + n) { *_finish = val; ++_finish; } } else { _finish = _start + n; } } void push_back(const T& x) { /*if (_finish == _endofstoage) { size_t newCapacity = capacity() == 0 ? 4 : capacity() * 2; reserve(newCapacity); } *_finish = x; ++_finish;*/ insert(end(), x); } void pop_back() { /*if (_finish > _start) { --_finish; }*/ erase(end() - 1); } T& operator[](size_t pos) { assert(pos < size()); return _start[pos]; } const T& operator[](size_t pos) const { assert(pos < size()); return _start[pos]; } iterator insert(iterator pos, const T& x) { // 检查参数 assert(pos >= _start && pos <= _finish); // 扩容 // 扩容以后pos就失效了,需要更新一下 if (_finish == _endofstoage) { size_t n = pos - _start; size_t newCapacity = capacity() == 0 ? 4 : capacity() * 2; reserve(newCapacity); pos = _start + n; } // 挪动数据 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 != _finish) { *(it - 1) = *it; ++it; } --_finish; return pos; } void clear() { _finish = _start; } private: iterator _start; iterator _finish; iterator _endofstoage; }; } ## 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() { my_vector::vector<my_vector::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. 如果拷贝的是自定义类型的元素，memcpy即高效又不会出错，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。 ![9f312f0473c14a93a564b056e277b8a8.png][] ![b9582d44ef0942a5901a02047deb6d05.png][] ![5619e5be329e47d88d4c30640ab667ad.png][] ![7f047d80808a41fb9fbda08e969ec159.png][] 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、使用模拟实现的vector实现杨辉三角中的深层次拷贝问题 ## ### 3.1 vector的深层次拷贝问题 ### 构造一个杨辉三角，打印一下并返回构造完成后的杨辉三角： class Solution { public: vector<vector<int>> generate(int numRows) { vector<vector<int>> vv; vv.resize(numRows); for (size_t i = 0; i < vv.size(); ++i) { // 杨辉三角，每行个数依次递增 vv[i].resize(i + 1, 0); // 第一个和最后一个初始化成1 vv[i][0] = 1; vv[i][vv[i].size() - 1] = 1; } for (size_t i = 0; i < vv.size(); ++i) { for (size_t j = 0; j < vv[i].size(); ++j) { if (vv[i][j] == 0) { // 中间位置等于上一行j-1 和 j个相加 vv[i][j] = vv[i - 1][j - 1] + vv[i - 1][j]; } } } for (size_t i = 0; i < vv.size(); ++i) { for (size_t j = 0; j < vv[i].size(); ++j) { cout << vv[i][j] << " "; } cout << endl; } cout << endl; return vv; } }; 接收构造完成后的杨辉三角并打印： void test() { vector<vector<int>> ret = Solution().generate(5); for (size_t i = 0; i < ret.size(); ++i) { for (size_t j = 0; j < ret[i].size(); ++j) { cout << ret[i][j] << " "; } cout << endl; } cout << endl; } 结果：程序崩溃 ![0a687f1b0cfc44038fdc582322ce4087.png][] 调试可知：利用memcpy扩容，造成扩容前和扩容后杨辉三角的前四排的元素指向同一地址，发生的浅拷贝，当delete\_start的时候导致tmp也被释放了。想要解决这个问题就必须使用深拷贝的方法去替代memcpy即可。 ![69ea18e431f84ad0a6a8630e111cc7a5.png][] ![c1cec9009d8d430ca627d19d0c4b39bd.png][] ### 3.2 解决方法——更新reserve函数 ### 使用深拷贝的方法去替代memcpy： void reserve(size_t n) { size_t sz = size(); if (n > capacity()) { T* tmp = new T[n]; if (_start) { //memcpy(tmp, _start, size()*sizeof(T)); for (size_t i = 0; i < size(); ++i) { tmp[i] = _start[i]; } delete[] _start; } _start = tmp; } _finish = _start + sz; _endofstoage = _start + n; } ![d216f931d37b4382b8580082705c260e.png][] ![7383fefdaffd4f27bd4e548bbf312f7d.png][] 此时，问题便得到了完美的解决。 [vector]: https://cplusplus.com/reference/vector/vector/ [c8564cc6d2f84e77936b39aac5992dfc.png]: https://img-blog.csdnimg.cn/c8564cc6d2f84e77936b39aac5992dfc.png [2344cf7e1d6d4f54ba65c4d769b7cacf.png]: https://img-blog.csdnimg.cn/2344cf7e1d6d4f54ba65c4d769b7cacf.png [9f312f0473c14a93a564b056e277b8a8.png]: https://img-blog.csdnimg.cn/9f312f0473c14a93a564b056e277b8a8.png [b9582d44ef0942a5901a02047deb6d05.png]: https://img-blog.csdnimg.cn/b9582d44ef0942a5901a02047deb6d05.png [5619e5be329e47d88d4c30640ab667ad.png]: https://img-blog.csdnimg.cn/5619e5be329e47d88d4c30640ab667ad.png [7f047d80808a41fb9fbda08e969ec159.png]: https://img-blog.csdnimg.cn/7f047d80808a41fb9fbda08e969ec159.png [0a687f1b0cfc44038fdc582322ce4087.png]: https://img-blog.csdnimg.cn/0a687f1b0cfc44038fdc582322ce4087.png [69ea18e431f84ad0a6a8630e111cc7a5.png]: https://img-blog.csdnimg.cn/69ea18e431f84ad0a6a8630e111cc7a5.png [c1cec9009d8d430ca627d19d0c4b39bd.png]: https://img-blog.csdnimg.cn/c1cec9009d8d430ca627d19d0c4b39bd.png [d216f931d37b4382b8580082705c260e.png]: https://img-blog.csdnimg.cn/d216f931d37b4382b8580082705c260e.png [7383fefdaffd4f27bd4e548bbf312f7d.png]: https://img-blog.csdnimg.cn/7383fefdaffd4f27bd4e548bbf312f7d.png
还没有评论，来说两句吧...