C++vector深度刨析及实现

深碍√TFBOYSˉ_ 2023-03-06 05:56 28阅读 0赞

## vector介绍及使用 ##

### 1：vector介绍 ###

[官方文档][Link 1]

> 1：vector是可变大小数组的序列容器  
> 2：就像数组一样，vector也采用连续存储空间来存储元素。也就意味着可以采用下标的方式对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：本质上讲，vector使用动态分配数组来存储元素。当新元素插入时，这个数组需要被重新分配大小来增加存储空间。其做法是，分配一个新的数组，然后将全部元素移动到这个数组当中去。就时间而言，这是一个相对代价高的任务。  
> 4：vector分配空间策略：vector会分配一些额外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，以至于在末尾插入元素的时候是在一个常数时间复杂度完成的。  
> 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：与其他动态序列容器相比，vector在访问元素时更加高效，在末尾添加删除元素时相对高效。对于其他不在末尾的插入和删除操作，效率更低。

### 2：vector使用 ###

#### 2.1 vector的定义 ####

<table> 
 <thead> 
  <tr> 
   <th>构造函数声明</th> 
   <th>接口说明</th> 
  </tr> 
 </thead> 
 <tbody> 
  <tr> 
   <td>vector()；</td> 
   <td>无参构造</td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td>vector（size_type n, const value_type&amp; val = value_type())；</td> 
   <td>构造并初始化n个val</td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td>vector(const vector&amp; val)；</td> 
   <td>拷贝构造</td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td>vector (InputIterator ﬁrst, InputIterator last);</td> 
   <td>使用迭代器进行初始化构造</td> 
  </tr> 
 </tbody> 
</table>

#include<iostream>
    
    #include<vector>
    
    using namespace std;
    
    int main()
    { 
    	vector<int> A;
    	vector<int> B(4, 100);//四个100
    	vector<int> C(B.begin(), B.end());//使用B的迭代器
    	vector<int> D(C);//拷贝构造
    
    	int min[] = {  1, 2, 3, 4, 5 };
    	vector<int> E(min, min + 5);
    
    	return 0;
    }

#### 2.2 vector iterator 使用 ####

<table> 
 <thead> 
  <tr> 
   <th>iterator的使用</th> 
   <th>接口说明</th> 
  </tr> 
 </thead> 
 <tbody> 
  <tr> 
   <td>begin+ end</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>rbegin + rend</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>

![在这里插入图片描述][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3FxXzQzNTEzMDc3_size_16_color_FFFFFF_t_70]

#### 2.3 vector空间增长问题 ####

<table> 
 <thead> 
  <tr> 
   <th>容量空间</th> 
   <th>接口说明</th> 
  </tr> 
 </thead> 
 <tbody> 
  <tr> 
   <td>size</td> 
   <td>获取数据个数</td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td>capacity</td> 
   <td>获取容量大小</td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td>empty</td> 
   <td>判断是否为空</td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td>resize</td> 
   <td>改变vector的size</td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td>reserve</td> 
   <td>改变vector的capacity</td> 
  </tr> 
 </tbody> 
</table>

> 注：  
> vs下capacity是按照1.5倍增长的，g++下是按2倍增长的；  
> vs是PJ版本STL，g++是SGI版本STL；  
> reserve只负责开辟空间，如果确定要用多少空间， reserve可以缓解增容的代价缺陷；  
> resize在开空间时还会初始化，影响size;

#### 2.4 vector 增删查改 ####

<table> 
 <thead> 
  <tr> 
   <th>vector 增删查改</th> 
   <th>接口说明</th> 
  </tr> 
 </thead> 
 <tbody> 
  <tr> 
   <td>push_back</td> 
   <td>尾插</td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td>pop_back</td> 
   <td>尾删</td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td>find</td> 
   <td>查找（这个不是vector的成员接口，而是算法模块实现）</td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td>insert</td> 
   <td>在pos前插入数据</td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td>erase</td> 
   <td>删除pos位置的数据</td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td>swap</td> 
   <td>交换两个vector的数据空间</td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td>operator[]</td> 
   <td>像数组一样访问</td> 
  </tr> 
 </tbody> 
</table>

## vector模拟实现 ##

**这里使用三个指针来实现vector**  
![在这里插入图片描述][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3FxXzQzNTEzMDc3_size_16_color_FFFFFF_t_70 1]

**源代码：**

#include<vector>
    
    #include<iostream>
    
    using namespace std;
    
    template <class T>
    class Vector
    { 
    	//无参构造函数
    	Vector()
    	:_start(nullptr)
    	, _finish(nullptr)
    	, _eos(nullptr)
    	{ }
    	//构造函数
    	vector(int n, const T& value = T())
    	    : _start(nullptr)
    	    , _finish(nullptr)    
    	    , _endOfStorage(nullptr)
    	     { 
    	         reserve(n);
    	         while (n--)    
    	         { 
    	                 push_back(value);
    	         }
    	      }
    	//拷贝构造
    	Vector(const Vector<T>& val)
    		:_start(new T[_capacity])
    	{ 
    		//深拷贝
    		for (int i = 0; i < val.size(); i++){ 
    			_start[i] = val[i];
    		}
    		_finish = _start + val, size();
    		_eos = _start + val.capacity();
    	}
    	//size
    	size_t size() const{ 
    		return _finish - _start;
    	}
    	//capacity
    	size_t capacity() const{ 
    		return _eos - _start;
    	}
    	//尾插
    	void push_back(const T& val){ 
    		//判断容量
    		if (_finish = _eos){ 
    			size_t newcapacity = capacity() = 0 ? 1 : 2 * capacity();
    			reserve(newcapacity);
    		}
    		
    		//插入
    		*_finish = val;
    
    		//更新
    		_finish++;
    	}
    
    	//reserve
    	void reserve(size_t n){ 
    		//只增加容量
    		if (n > capacity()){ 
    			//开空间
    			T* temp = new T[n];
    			//拷贝
    			//浅拷贝,扩容三次及之后扩容都会二次释放
    			//memcpy(temp, _start, sizeof(T)*size());
    			//深拷贝：调用T的赋值运算符
    			//不需要自己实现，因为任何类型，不管涉不涉及深浅拷贝，都有自己的赋值运算符
    			for (int i = 0; i < size(); i++){ 
    				temp[i] = _start[i];
    			}
    			//保存原有大小
    			size_t oldsize = size();
    			//释放原有资源
    			delete[] _start;
    			//更新
    			_start = temp;
    			_finish = _start + oldsize;
    			_eos = _start + n;
    		}
    	}
    	//operator[]
    	//可读可写
    	T& operator[](size_t pos){ 
    		if (pos < size())
    			return *(_start + pos);
    	}
    	//只读
    	const T& operator[](size_t pos){ 
    		if (pos < size())
    			return *(_start + pos);
    	}
    
    	//迭代器
    	typedef T* iterator;
    	typedef const T* const_iterator;
    
    	iterator begin(){ 
    		return _start;
    	}
    	iterator end(){ 
    		return _finish;
    	}
    
    	const_iterator begin(){ 
    		return _start;
    	}
    	const_iterator end(){ 
    		return _finish;
    	}
    
    	//resize()//默认值:内置类型：0值，自定义类型：调用无参构造
    	void resize(size_t n, const T& val = T()){ 
    		if (n > capacity()){ 
    			reserve(); 
    		}
    		if (n > size()){ 
    			while (_finish != _start + n){ 
    				_finish++ = val;
    			}
    		}
    		//更新size
    		_finish = _start + n;
    	}
    
    	//insert()
    	void insert(iterator pos, const T& val){ 
    		if (pos => _start && pos <= _finish){ 
    			if (_finish == _eos){ 
    				//如果增容了要更新迭代器
    				//保存原始的偏移量
    				size_t len = pos - _start;
    				size_t newcap = capacity() = 0 ? 1 : 2 * capacity();
    				reserve(newcap);//增容后会导致迭代器失效
    				//更新迭代器
    				pos = _start + len;
     			}
    			//移动元素
    			
    			iterator end = _finish;
    			while (end > pos){ 
    				*end = *(end - 1);
    			}
    			//插入元素
    			*pos = val;
    			//更新size
    			_finish++;
    		}
    	}
    
    	//erase()返回被删除元素的下一个位置
    	iterator erase(iterator pos){ 
    		if (pos = > _start && pos < _finish){ 
    			iterator beg = pos + 1;
    			while (beg != _fimish){ 
    				*(beg-1) = *beg;
    				++beg;
    			}
    		}
    		++_finish;
    		return pos;
    	}
    
    	//赋值运算符重载
    	Vector<T>& operator=(Vector<T> val){ //传参调用构造函数
    		Swap(v);
    		retturn *this;
    	}
    	Swap(Vector<T>& val){ 
    		swap(_start, val._start);
    		swap(_finish, val._finish);
    		swap(_eos, val._eos);
    	}
    	//析构函数
    	~Vector()
    	{ 
    		delete[] _start;
    		_start = _finish = _eos = nullptr;
    	}
    private:
    	T* _start;
    	T* _finish;
    	T* _eos;
    };
    
    //输出模板函数
    template <class T>
    void Print(const Vector<T>& val){ 
    	for (int i = 0; i < val.size(); i++){ 
    		cout << val[i] >> " ";
    	}
    	cout << endl;
    }

**reserve接口中memcpy()的问题**

> 1：memcpy是内存的二进制格式拷贝，将一段内存中的内容拷贝到另一段内存中去；  
> 2：如果拷贝的是内置类型的元素，memcpy既高效又不会出错，但如果拷贝的是自定义类型的元素，并且自定义类型当中涉及到资源管理时，就会出错，因为memcpy的拷贝实际上是浅拷贝；

## vector迭代器失效问题 ##

> 迭代器的主要作用就是让算法不用关心底层数据结构，其底层实际上就是一个指针，或者是对指针进行了封装。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已经被销毁，而使用的是一块已经被释放的空间，造成程序崩溃。

### 可能导致迭代器失效的操作 ###

#### 1：会引起底层空间改变的操作 ####

**比如：resize()、reserve()、insert()、assgin()、push\_back等**

#### 2：指定元素的删除操作 – erase() ####

> 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。

先来看下面代码的对错：

#include <iostream> 
    using namespace std;
    #include <vector>
    
    //代码1：
    int main()
    { 
        vector<int> v{  1, 2, 3, 4 };
        auto it = v.begin();    
        while (it != v.end())    
        { 
                if (*it % 2 == 0)
                    v.erase(it);
                    ++it;
         }        
         return 0; 
    }
     
    //代码2：
    int main() 
    { 
        vector<int> v{  1, 2, 3, 4 };    
        auto it = v.begin();    
        while (it != v.end())    
        { 
                if (*it % 2 == 0)
                   it = v.erase(it);
                else
                   ++it;
         }
        return 0;
    }

**很明显代码1会发生迭代器失效的问题；**

#### 3：迭代器失效的解决办法L：在使用前对迭代器重新赋值； ####

[Link 1]: http://www.cplusplus.com/reference/vector/vector/
[watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3FxXzQzNTEzMDc3_size_16_color_FFFFFF_t_70]: /images/20230208/6ff63f9612a143b793683d75ec1ca354.png
[watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3FxXzQzNTEzMDc3_size_16_color_FFFFFF_t_70 1]: /images/20230208/084d96c2722545b5afbd0d495312f008.png