C vector的使用及模拟
- 零、前言
- 一、什么是vector
- 二、vector的常用接口说明
- 1、vector对象常用构造
- 2、vector对象容量操作
- 3、vector对象访问及遍历操作
- 4、vector对象修改操作
- 5、vector迭代器失效问题
- 三、vector剖析及模拟实现
- 1、vector框架及常用接口展示
- 2、vector模拟常用接口具体细节
- 3、使用memcpy拷贝问题
- 4、动态二维数组理解
零、前言
本章将学习C 中的vector类，掌握其使用以及模拟实现
一、什么是vector
- 介绍：
vector是表示可变大小数组的序列容器，也采用的连续存储空间来存储元素（与string很相似，string是储存字符，而vector可以储存多种类型），可以采用下标对vector的元素进行访问（空间是连续的），但大小是可以动态改变的
- 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，不同的库和平台采用不同的策略权衡空间的使用和重新分配（即占用了更多的存储空间，并且以一种有效的方式动态增长）
- 优劣：
与其它动态序列容器相比， 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
二、vector的常用接口说明
注：vector的函数操作基本上和string效果类似
1、vector对象常用构造
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 |
- 使用示例：
void test_vector1()
{
//vector是一个模板类，在实例化对象时需要指明类型
vector<int> first; //空vector
vector<int> second(4, 100); //初始化构造（4个空间，每个储存100）
vector<int> third(second.begin(), second.end()); // 迭代器初始化构造
vector<int> fourth(third); //拷贝构造
int myints[] = { 16,2,77,29 };
vector<int> fifth(myints, myints sizeof(myints) / sizeof(int));//数组指针区间构造（本质上与迭代器一致）
}- 结果：
2、vector对象容量操作
函数名称 | 功能说明 |
|---|---|
size（重点） | 返回有效使用空间长度 |
capacity | 返回空间总大小 |
empty （重点） | 检测vector是否为空 |
reserve （重点） | 为数据预留空间 |
resize （重点） | 将有效字符的个数该成n个，多出的空间用数据填充 |
- 使用示例：
void test_vector2()
{
//size/capacity/empty/operator[]
vector<int> v1;
cout << v1.size() << endl;
cout << v1.capacity() << endl;
cout << v1.empty() << endl;
vector<int> v2(5,2);
cout << v2.size() << endl;
cout << v2.capacity() << endl;
cout << v2.empty() << endl;
cout << v2[0] << endl;
//reserve/resize
v2.resize(8, 6);
cout << v2.size() << endl;
cout << v2.capacity() << endl;
vector<int> foo1;
int sz1 = foo1.capacity();
cout << "making foo1 grow:n";
for (int i = 0; i < 100; i) {
foo1.push_back(i);
if (sz1 != foo1.capacity()) {
sz1 = foo1.capacity();
cout << "capacity changed: " << sz1 << 'n';
}
}
vector<int> foo2;
foo2.reserve(100);
int sz2 = foo2.capacity();
cout << "making foo2 grow:n";
for (int i = 0; i < 100; i) {
foo2.push_back(i);
if (sz2 != foo2.capacity()) {
sz2 = foo2.capacity();
cout << "capacity changed: " << sz2 << 'n';
}
}
}- 结果：
- 注意：
- 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（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(如果n大于当前的容量，该函数将重新分配其存储空间增加到n或者更大)
- resize在开空间的同时还会进行初始化，影响size： 如果n小于当前容器的size()，则删除超过的元素。如果n大于当前容器的size()，则在容器的末尾插入足够多的元素来扩展容器的内容，使容器的大小达到n(如果指定了val，则将新元素初始化为val)
3、vector对象访问及遍历操作
函数名称 | 功能说明 |
|---|---|
operator[] （重点） | 返回pos位置的字符，普通对象和const对象有相应的版本 |
begin end | egin获取第一个字符的迭代器 end获取最后一个字符下一个位置的迭代器 |
rbegin rend | begin获取第一个字符的迭代器 end获取最后一个字符下一个位置的迭代器 |
范围for | C 11支持，最终替换成迭代器 |
- 使用示例：
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_vector3()
{
// 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;
//const迭代器打印
PrintVector(v);
//范围for遍历
for (const auto& e : v)
{
cout << e << " ";
}
cout << endl;
//size []
for (size_t i = 0; i < v.size(); i )
{
cout << v[i] << " ";
}
cout << endl;
}- 结果：
4、vector对象修改操作
vector增删查改 | 接口说明 |
|---|---|
push_back（重点） | 尾插 |
pop_back （重点） | 尾删 |
find | 查找（算法模块实现，不是vector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 |
- 使用示例：
void test_vector4()
{
int a1[] = { 1, 2, 3, 4 };
vector<int> v1(a1, a1 sizeof(a1) / sizeof(int));
vector<int>::iterator it1 = v1.begin();
while (it1 != v1.end()) {
cout << *it1 << " ";
it1;
}
cout << endl;
v1.pop_back();
v1.pop_back();
it1 = v1.begin();
while (it1 != v1.end()) {
cout << *it1 << " ";
it1;
}
cout << endl;
int a2[] = { 1, 2, 3, 4 };
vector<int> v2(a2, a2 sizeof(a2) / sizeof(int));
// 使用find查找3所在位置的iterator
vector<int>::iterator pos = find(v2.begin(), v2.end(), 3);
// 在pos位置之前插入30
v2.insert(pos, 30);
vector<int>::iterator it2 = v2.begin();
while (it2 != v2.end()) {
cout << *it2 << " ";
it2;
}
cout << endl;
pos = find(v2.begin(), v2.end(), 3);
// 删除pos位置的数据
v2.erase(pos);
it2 = v2.begin();
while (it2 != v2.end()) {
cout << *it2 << " ";
it2;
}
cout << endl;
int a3[] = { 1, 2, 3, 4 };
vector<int> v3(a3, a3 sizeof(a3) / sizeof(int));
// 通过[]读写第0个位置
v3[0] = 10;
cout << v3[0] << endl;
// 通过[i]的方式遍历vector
for (size_t i = 0; i < v3.size(); i)
cout << v3[i] << " ";
cout << endl;
vector<int> swapv;
swapv.swap(v3);
cout << "v data:";
for (size_t i = 0; i < v3.size(); i)
cout << v3[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 : v3)
cout << x << " ";
cout << endl;
}- 结果：
5、vector迭代器失效问题
- 概念：
- 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和string 迭代器就是原生态指针T*）
- 因此vector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，或者在迭代器本身指向的意义改变了，不是我们所想的那样
- vector迭代器失效操作：
- 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
本质上：使vector发生扩容，原来动态开辟的空间被释放，但是迭代器在扩容后没有更新，再次使用会报错
- 示例：
#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;
}- 结果：
- 指定位置元素的删除或者插入操作--erase/insert
本质上：删除或者插入操作后，使原来的迭代器指向的意义发生了改变
- 示例：
void testdemo1()
{
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，指向的意义发生改变（pos位置的内容是4，不是3了）
v.erase(pos);
cout << *pos << endl; // 此处是非法访问
//解决方案：pos = v.erase(pos);//接收返回值，pos指向删除元素的后一个元素
}
void testdemo2()
{
int a[] = { 1, 2, 3, 4 };
vector<int> v(a, a sizeof(a) / sizeof(int));
vector<int>::iterator pos = find(v.begin(), v.end(), 3);
v.insert(pos, 6);//插入后pos迭代器失效，指向的意义发生改变（pos位置的内容是6，不是3了）
//解决方案：pos=v.insert(pos, 6);//接收返回值，pos指向插入的新元素
cout << *pos << endl;
}- 结果：
- 解决后：
- 解释：
- 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，但是，迭代器指代的意义发生改变，vs就认为该位置迭代器失效了（对于插入操作也同理）
- 迭代器失效解决办法：在使用前，更新迭代器
三、vector剖析及模拟实现
1、vector框架及常用接口展示
- 基本框架：
- 实现常用接口展示：
template<class T>
class vector
{
public:
// Vector的迭代器是一个原生指针
typedef T* iterator;
typedef const T* const_iterator;
//普通迭代器和const迭代器
iterator begin();
iterator end();
const_iterator begin()const;
const_iterator end()const;
//无参构造函数
vector();
//n个value构造函数
vector(int n, const T& value = T());
//迭代器构造
template<class InputIterator>
vector(InputIterator first, InputIterator last);
//拷贝构造
vector(const vector<T>& v);
//赋值重载
vector<T>& operator= (vector<T> v);
//析构
~vector();
// capacity
size_t size() const;
size_t capacity() const;
bool empty() const;
//开空间
void reserve(size_t n);
//开空间 初始化
void resize(size_t n, const T& value = T());
//下标重载
T& operator[](size_t pos);
const T& operator[](size_t pos)const;
//尾插
void push_back(const T& x);
//尾删
void pop_back();
//交换
void swap(vector<T>& v);
//插入和删除
iterator insert(iterator pos, const T& x);
iterator erase(iterator pos);
private:
iterator _start; // 指向数据块的开始
iterator _finish; // 指向有效数据的尾
iterator _endOfStorage; // 指向存储容量的尾
};2、vector模拟常用接口具体细节
注：模拟时为了避免与C 本身提供的vector造成命名冲突，我们选择在命名空间里进行实现
- 实现代码：
namespace cole
{
template<class T>
class vector
{
public:
//底层是连续开辟的空间，原生指针足够完成迭代器操作
typedef T* iterator;
typedef const T* const_iterator;
iterator begin()
{
return _start;
}
iterator end()
{
return _finish;
}
const_iterator begin()const
{
return _start;
}
const_iterator end()const
{
return _finish;
}
//空vector
vector()
:_start(nullptr)
, _finish(nullptr)
, _endOfStorage(nullptr)
{}
vector(int n, const T& value = T())
:_start(nullptr)
, _finish(nullptr)
, _endOfStorage(nullptr)
{
//一定要初始化（不初始化，成员变量为随机值，调用相关接口结果会存在问题，导致reserve会出现问题）
reserve(n);
for (int i = 0; i < n; i )
{
//对于内置类型进行赋值，对于自定义类型，调用其复制重载函数（如string）
_start[i] = value;
}
_finish = _start n;
}
//模板类中可以存在模板函数
template<class InputIterator>
vector(InputIterator first, InputIterator last)
:_start(nullptr)
, _finish(nullptr)
, _endOfStorage(nullptr)
{
//复用接口
reserve(last - first);
while (first != last)
{
push_back(*first);
first ;
}
}
vector(const vector<T>& v)
:_start(nullptr)
, _finish(nullptr)
, _endOfStorage(nullptr)
{
reserve(v.capacity());
for (size_t i = 0; i < v.size(); i )
{
//对于内置类型进行赋值，对于自定义类型，调用其复制重载函数（如string）
_start[i] = v._start[i];
}
_finish = _start v.size();
}
//现代式写法
vector<T>& operator= (vector<T> v)
{
swap(v);
return *this;
}
~vector()
{
//释放空间以及置空
if (_start)
{
delete[] _start;
}
_start = _finish = _endOfStorage = nullptr;
}
// capacity
size_t size() const
{
return _finish - _start;
}
size_t capacity() const
{
return _endOfStorage - _start;
}
bool empty() const
{
return _start == _finish;
}
void reserve(size_t n)
{
if (n > capacity())
{
//扩容会重新开辟空间，导致成员变量为nullptr，这里记录下必要数据
size_t sz = size();
iterator tmp = new T[n];
if (_start)
{
for (size_t i = 0; i < sz; i )
{
//对于内置类型进行赋值，对于自定义类型，调用其复制重载函数（如string）
tmp[i] = _start[i];
}
delete[] _start;
}
_start = tmp;
_finish = _start sz;
_endOfStorage = _start n;
}
}
void resize(size_t n, const T& value = T())
{
//分情况操作
if (n < size())
{
_finish = _start n;
}
else
{
if (n > capacity())
{
reserve(n);
}
while (_finish != _start n)
{
*_finish = value;
_finish;
}
}
}
T& operator[](size_t pos)
{
//pos的合理性
assert(pos < size());
return _start[pos];
}
const T& operator[](size_t pos)const
{
//pos的合理性
assert(pos < size());
return _start[pos];
}
void push_back(const T& x)
{
//vector满的情况
if (_finish == _endOfStorage)
{
reserve(capacity() == 0 ? 4 : capacity() * 2);
}
*_finish = x;
_finish ;
}
void pop_back()
{
//pos的合理性
assert(size() > 0);
_finish--;
}
//算法中提供的swap涉及多次深拷贝，这里自己实现，变量交换的效率高
void swap(vector<T>& v)
{
::swap(_start, v._start);
::swap(_finish, v._finish);
::swap(_endOfStorage, v._endOfStorage);
}
iterator insert(iterator pos, const T& x)
{
if (_finish == _endOfStorage)
{
//扩容会重新开辟空间，这里记录下必要数据
size_t len = pos - _start;
reserve(capacity() == 0 ? 4 : capacity() * 2);
//扩容后pos会失效，更新pos位置
pos = _start len;
}
iterator end = _finish;
while (end != pos)
{
*end = *(end - 1);
end--;
}
*pos = x;
_finish ;
return pos - 1;
}
iterator erase(iterator pos)
{
iterator cur = pos 1;
while (cur != _finish)
{
*(cur - 1) = *cur;
cur;
}
--_finish;
return pos;
}
private:
iterator _start; // 指向数据块的开始
iterator _finish; // 指向有效数据的尾
iterator _endOfStorage; // 指向存储容量的尾
};
}3、使用memcpy拷贝问题
代码语言：javascript复制假设模拟实现的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()
{
cole::vector<cole::string> v;
v.push_back("1111");
v.push_back("2222");
v.push_back("3333");
return 0;
}- 问题分析：
- 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
- 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
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
4、动态二维数组理解
- 示例：
// 以杨慧三角的前n行为例：假设n为5
void test5(size_t n)
{
// 使用vector定义二维数组vv，vv中的每个元素都是vector<int>
cole::vector<cole::vector<int>> vv(n);
// 将二维数组每一行中的vecotr<int>中的元素全部设置为1
for (size_t i = 0; i < n; i)
vv[i].resize(i 1, 1);
// 给杨慧三角出第一列和对角线的所有元素赋值
for (int i = 2; i < n; i)
{
for (int j = 1; j < i; j)
{
vv[i][j] = vv[i - 1][j] vv[i - 1][j - 1];
}
}
}cole::vector<cole::vector<int>> vv(n); - 构造一个vv动态二维数组，vv中总共有n个元素，每个元素都是vector类型的，每行没有包含任何元素，如果n为5时如下所示：
- vv中元素填充完成之后，如下图所示 ：
