深入理解并解析C++ stl::vector
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"每个warning都是编译器在说: 我觉得你还能强一点"
1.vector的成员变量定义
三个成员都定义成指针类型,因为指针 - 指针等于之间的个数。
2.vector的使用
2.1构造函数
构造函数声明 | 接口说明 |
vector() | 无参构造 |
vector(size_type n, const T& val = T())
| 构造并初始 n 个val |
vector(const vector& x) | 拷贝构造 |
vector(Inputiterator first,Inputiterator last) | 使用迭代器进行初始化 |
2.2vector iterator 迭代器的使用
iterator的使用 | 接口说明 |
begin + end |
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。
|
2.3关于空间的函数
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(size_t n) | 改变vector的size |
reserve(size_t n) | 改变vector的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,vector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。
2.4vector的增删查改
函数名称 | 接口说明 |
push_back | 尾插 |
pop_back | 尾删 |
find | 查找。(注意这个是算法模块实现,不是vector的成员函数) |
insert(size_t pos,T val) | 在pos之前插入val |
erase(size_t pos) | 删除pos位置的数据 |
swap | 交换两个vector的数据空间 |
operator[] | 像数组访问一样 |
3.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)。
导致迭代器失效的操作:
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。
#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。
示例:删除vector中的所有的偶数,以下那个代码是正确的?
#include <iostream>
using namespace std;
#include <vector>
//代码一
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;
}
//代码二
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;
}
代码二是正确的。
解析:
而代码二中的: it = v.erase(it) 会返回删除元素的下一个元素。
③注意:Linux下,g++编译器对迭代器失效的检测并不是非常的严格,处理也没有vs下严格。
④与vector类似,string在插入+扩容操作+erase之后,迭代器也会失效。
#include <string>
void TestString()
{
string s("hello");
auto it = s.begin();
// 放开之后代码会崩溃,因为resize到20会string会进行扩容
// 扩容之后,it指向之前旧空间已经被释放了,该迭代器就失效了
// 后序打印时,再访问it指向的空间程序就会崩溃
//s.resize(20, '!');
while (it != s.end())
{
cout << *it;
++it;
}
cout << endl;
it = s.begin();
while (it != s.end())
{
it = s.erase(it);
// 按照下面方式写,运行时程序会崩溃,因为erase(it)之后
// it位置的迭代器就失效了
// s.erase(it);
++it;
}
}
4.深度刨析vector模拟实现遇到的问题
拷贝构造
vector(const vector<T>& v)
{
_start = new T[v.capacity()];
memcpy(_start, v._start, sizeof(T) * v.size());
_finish = _start + v.size();
_endofstorage = _start + v.capacity();
}
//扩容
void reserve(size_t n)
{
if (n > capacity())
{
size_t sz = size();
T* tmp = new T[n];
if (_start)
{
memcpy(tmp, _start, sizeof(int) * size());
delete[] _start;
}
_start = tmp;
_finish = _start + sz;
_endofstorage = _start + n;
}
}
上述拷贝构造函数,当vector存的是内置类型是正常的。一旦vector存的是自定义类型时,例如vector<string>会出问题,由于memcpy导致的。
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。
浅拷贝:
解决方式:
//拷贝函数
vector(const vector<T>& v)
{
_start = new T[v.capacity()];
//memcpy(_start, v._start, sizeof(T) * v.size());
for (size_t i = 0; i <v.size(); i++)
{
_start[i] = v._start[i];//例如是string,调用string的赋值(=)重载(进行深拷贝)
}
_finish = _start + v.size();
_endofstorage = _start + v.capacity();
}
//扩容
void reserve(size_t n)
{
if (n > capacity())
{
size_t sz = size();
T* tmp = new T[n];
if (_start)
{
//memcpy(tmp, _start, sizeof(int) * size());
for (size_t i = 0; i < sz; i++)
{
tmp[i]=_start[i];//例如是string,调用string的赋值(=)重载(进行深拷贝)
}
delete[] _start;
}
_start = tmp;
_finish = _start + sz;
_endofstorage = _start + n;
}
}
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。
5.动态二维数组存储形式
6.vector的模拟实现
6.1反向迭代器的实现
可多容器复用。
成员变量是正向迭代,和正向迭代的逻辑是反的。
template<class iterator,class Ref,class Ptr>
struct Reverse_iterator
{
public:
typedef Reverse_iterator<iterator, Ref, Ptr> Self;
iterator _it;
Reverse_iterator(iterator it)
:_it(it)
{ }
Self operator++()
{
--_it;
return *this;
}
Self operator--()
{
++_it;
return *this;
}
Ref operator*()
{
iterator tmp = _it;
return *(--tmp);
}
Ptr operator->()
{
return &(operator*());
}
bool operator!=(const Self& s) const
{
return _it != s._it;
}
};
6.2常用函数的模拟实现
template<class T>
class vector
{
public:
//正向迭代器
typedef T* iterator;
typedef const T* const_iterator;
//方向迭代器
typedef Reverse_iterator<iterator, T&, T*> reverse_iterator;
typedef Reverse_iterator<const_iterator, const T&, const T*> reverse_const_iterator;
//反向迭代器
reverse_iterator rbegin()
{
return _finish;
}
reverse_iterator rend()
{
return _start;
}
reverse_const_iterator rbegin() const
{
return _finish;
}
reverse_const_iterator rend() const
{
return _start;
}
iterator begin()
{
return _start;
}
iterator end()
{
return _finish;
}
const_iterator begin()const
{
return _start;
}
const_iterator end()const
{
return _finish;
}
vector()
{}
vector(const vector<T>& v)
{
_start = new T[v.capacity()];
//memcpy(_start, v._start, sizeof(T) * v.size());
for (size_t i = 0; i <v.size(); i++)
{
_start[i] = v._start[i];//例如是string,调用string的赋值(=)重载(进行深拷贝)
}
_finish = _start + v.size();
_endofstorage = _start + v.capacity();
}
//复用已实现的接口
/*vector(const vector<int>& v)
{
_start = reserve(v.capacity());
for (auto& e : v)
{
push_back(e);
}
}*/
//vector<int> v1(10u, 1);
//vector<string> v2(10, "1111");
//vector<int> v3(10, 1);
vector(int n, const T& val = T())
{
resize(n, val);
}
vector(size_t n, const T& val=T())
{
resize(n, val);
}
//迭代器区间初始化
template<class InputIterator>
//[first,last)
vector(InputIterator first, InputIterator last)
{
reserve(last - first);
while (first != last)
{
*_finish = *first;
++first;
++_finish;
}
}
//析构函数
~vector()
{
if (_start != nullptr)
{
delete[] _start;
_start = _finish = _endofstorage = nullptr;
}
}
void swap(vector<T>& v)
{
std::swap(_start, v._start);
std::swap(_finish, v._finish);
std::swap(_endofstorage, v._endofstorage);
}
vector<T>& operator=(vector<T> v)
{
swap(v);
return *this;
}
//扩容
void reserve(size_t n)
{
if (n > capacity())
{
size_t sz = size();
T* tmp = new T[n];
if (_start)
{
//memcpy(tmp, _start, sizeof(int) * size());
for (size_t i = 0; i < sz; i++)
{
tmp[i]=_start[i];//例如是string,调用string的赋值(=)重载(进行深拷贝)
}
delete[] _start;
}
_start = tmp;
_finish = _start + sz;
_endofstorage = _start + n;
}
}
//尾插
void push_back(const T& val)
{
/*if (_finish == _endofstorage)
{
size_t newcapacity = capacity() == 0 ? 4 : capacity() * 2;
reserve(newcapacity);
}
*_finish = val;
++_finish;*/
insert(end(), val);
}
//尾删
void pop_back()
{
auto pos = end();
erase(--pos);
//erase(--end());
}
void resize(size_t n, const T& val = T())
{
if (n < size())
{
_finish = _start + n;
}
else
{
reserve(n);
while (_finish != _start + n)
{
*_finish = val;
++_finish;
}
}
}
//pos位置前插入
iterator insert(iterator pos, const T& val)
{
assert(pos >= _start && pos <= _finish);
if (_finish == _endofstorage)
{
size_t gap = pos - _start;
size_t newcapacity = capacity() == 0 ? 4 : capacity() * 2;
reserve(newcapacity);
pos = _start + gap; //防止扩容的时候失效
}
iterator end = _finish - 1;
while (end >= pos)
{
*(end + 1) = *end;
--end;
}
*pos = val;
_finish++;
return pos;
}
//删除pos位置的数据
iterator erase(iterator pos)
{
assert(pos >= _start && pos <= _finish);
iterator end = pos + 1;
while (end != _finish)
{
*(end - 1) = *end;
++end;
}
_finish--;
return pos;
}
T& operator[](size_t pos)
{
assert(pos < size());
return _start[pos];
}
size_t size() const
{
return _finish - _start;
}
size_t capacity() const
{
return _endofstorage - _start;
}
private:
T* _start=nullptr;
T* _finish=nullptr;
T* _endofstorage=nullptr;
};