第七章：vector类
1.vector的介绍
vector的文档
①vector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。
④vector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
vector学习时一定要学会查看文档，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。
2.1 vector的定义
| (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 |
// 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
// 涉及迭代器初始化的部分
// 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
| iterator的使用 | 接口说明 |
|---|
| begin + end（重点） | 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 |
#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
| 容量空间 | 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） | 改变vector的size | | reserve（重点） | 改变vector放入capacity |
-
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。
// vector::capacity
#include <iostream>
#include <vector>
int main ()
{
//验证vector的增容方式
size_t sz;
std::vector<int> foo;
sz = foo.capacity();
std::cout << "making foo grow:\n";
for (int i=0; i<100; ++i) {
foo.push_back(i);
if (sz!=foo.capacity()) {
sz = foo.capacity();
std::cout << "capacity changed: " << sz << '\n';
}
}
}
/*
vs：运行结果：
making foo grow:
capacity changed: 1
capacity changed: 2
capacity changed: 3
capacity changed: 4
capacity changed: 6
capacity changed: 9
capacity changed: 13
capacity changed: 19
capacity changed: 28
capacity changed: 42
capacity changed: 63
capacity changed: 94
capacity changed: 141
g++运行结果：
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
*/
2.4 vector 增删查改
| vector增删查改 | 接口说明 |
|---|
| push_back（重点） | 尾插 | | pop_back （重点） | 尾删 | | find | 查找。（注意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 | | erase | 删除position位置的数据 | | swap | 交换两个vector的数据空间 | | operator[] （重点） | 像数组一样访问 |
// 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
// vector使用这两种遍历方式是比较便捷的。
#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;
}
2.5 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 ：
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>
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;
}
②指定位置元素的删除操作–erase
#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。
3.vector模拟实现
#pragma once
#include<iostream>
#include<assert.h>
#include<algorithm>
using namespace std;
namespace z
{
template <class T>
class vector
{
public:
typedef T* iterator;
typedef const T* const_iterator;
vector()
:_start(nullptr)
,_finish(nullptr)
,_endofstorage(nullptr)
{}
vector(const vector<T>& v)
:_start(nullptr)
, _finish(nullptr)
, _endofstorage(nullptr)
{
this->reserve(v.capacity());
for (auto e : v)
{
push_back(e);
}
}
vector(int n, const T& value = T())
: _start(nullptr)
, _finish(nullptr)
, _endofstorage(nullptr)
{
reserve(n);
while (n--)
{
push_back(value);
}
}
// 若使用iterator做迭代器，会导致初始化的迭代器区间[first,last)只能是vector的迭代器
// 重新声明迭代器，迭代器区间[first,last)可以是任意容器的迭代器
template<class InputIterator>
vector(InputIterator first, InputIterator last)
{
reserve(last - first);
while (first != last)
{
push_back(*first);
++first;
}
}
~vector()
{
if (_start)
{
delete[] _start;
}
_start = _finish = _endofstorage = nullptr;
}
void swap(vector<T>& v)
{
::swap(_start, v._start);
::swap(_finish, v._finish);
::swap(_endofstorage, v._endofstorage);
}
iterator begin()
{
return _start;
}
iterator end()
{
return _finish;
}
iterator begin() const
{
return _start;
}
iterator end() const
{
return _finish;
}
size_t capacity() const
{
return _endofstorage - _start;
}
size_t size() const
{
return _finish - _start;
}
bool empty() const
{
return _start == _finish;
}
vector<T>& operator=(vector<T>& v)
{
swap(v);
return *this;
}
T& operator[](size_t i) const
{
assert(i < size());
return _start[i];
}
void resize(size_t n, T val=T())
{
if (n < size()) {
_finish = _start + n;
return;
}
else
{
if(n > capacity())
{
reserve(n);
}
while (_finish < _start + n)
{
*_finish = val;
++_finish;
}
}
}
void reserve(size_t n)
{
if(n > capacity())
{
size_t sz = size();
T* tmp = new T[n];
if (_start)
{
//memcpy(tmp, _start, sz*sizeof(T));
//memcpy在处理自定义类型时只能浅拷贝，会出错
//用for+赋值可以解决这个问题
//STL中是类型萃取，内置memecpy，自定义for+赋值
for (size_t i = 0; i < sz; ++i)
{
tmp[i] = _start[i];
}
delete[] _start;
}
_start = tmp;
_finish = _start +sz;
_endofstorage = _start + n;
}
}
void push_back(const T& x)
{
if (_finish == _endofstorage)
{
size_t newcapacity = capacity() == 0 ? 4 : capacity() * 2;
reserve(newcapacity);
}
*_finish = x;
++_finish;
}
void pop_back()
{
assert(!empty());
--_finish;
}
void insert(iterator pos, const T& x)
{
if (_finish == _endofstorage) {
size_t len = pos - _start;
size_t newcapacity = capacity() == 0 ? 4 : capacity() * 2;
reserve(newcapacity);
//更新pos，解决增容后pos失效的问题
pos = _start + len;
}
iterator end = _finish - 1;
while (end >= pos)
{
*(end + 1) = *end;
--end;
}
*pos = x;
++_finish;
}
iterator erase(iterator pos)
{
iterator it = pos + 1;
while (it != _finish)
{
*(it - 1) = *it;
++it;
}
--_finish;
return pos;
}
private:
iterator _start; //表示有效数据的起始位置
iterator _finish; //表示最后一个有效数据的下一个位置
iterator _endofstorage; //表示当前有效空间的下一个位置
};
template<class T>
void PrintVector(const vector<T>& v) {
if (v.size() == 0) {
cout << "空" << endl;
return;
}
vector<T>::const_iterator it = v.begin();
while (it != v.end())
{
cout << *it << " ";
++it;
}
cout << endl;
}
/*测试类
void test()
{
vector<int> v;
v.push_back(1);
v.push_back(2);
v.push_back(3);
v.push_back(4);
v.push_back(5);
v.push_back(6);
v.push_back(7);
v.push_back(8);
PrintVector(v);
vector<int>::iterator pos = find(v.begin(), v.end(), 3);
v.insert(pos, 30);
PrintVector(v);
vector<int>::iterator it = v.begin();
while (it != v.end()) {
if (*it % 2 == 0)
{
it = v.erase(it);
}
else
{
++it;
}
}
PrintVector(v);
vector<int> v2(v);
PrintVector(v2);
vector<int> v3;
v3 = v;
PrintVector(v3);
}*/
}
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