C++初阶：STL —— vectorvector的介绍及使用 | 迭代器失效问题 | vector的深度剖析及模拟实现

Posted 2022-12-12 跳动的bit

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篇首语：本文由小常识网(cha138.com)小编为大家整理，主要介绍了C++初阶：STL —— vectorvector的介绍及使用 | 迭代器失效问题 | vector的深度剖析及模拟实现相关的知识，希望对你有一定的参考价值。

文章目录

【写在前面】

相比于 string，vector 的使用更加容易上手的，且它的接口比 string 要少上许多，再加上我们已经学过类似的 string，并且在数据结构篇的顺序表就已经触及过了。vector 在实际中也非常的重要，在实际中我们熟悉常见的接口就可以了。
在 vector 开始我们就可以尝试着去瞅一瞅 STL 的源码了，string 为什么没看的原因，在之前也说过，对于 string 是在 STL 这个规范前被设计出来的。我们的瞅的源码主要参考 P.J 版本和 SGI 版本。

怎么看 ❓

P.J

对如下代码打断点后调试，单步执行就可以查阅了

Visual Studio 2017 参考如下目录：

但是对于 P.J 版本的有些地方还涉及了 C++11 的优化，可能会看不懂，所以我们主要参考 SGI 版本。
SGI

这里有一本书《STL源码剖析》，它用的是 STL3.0 的版本，有需要的同学可私信电子版本。当然这本上核心的内容我们都会学习。

stl3.0 一览 ❓

解包后，找到 vector 并打开
找到 stl_vector.h 并打开(核心代码也就 500 多行)
怎么阅读

众所周知，看别人的代码是一件很痛苦的事情，如果他的水平高于你，那么你是能成长的，但是看的过程中不要一行一行的去看，这样会导致你只见树木不见森林。这里记住 “二八原则”，一个 1000 行的代码，只有 200 行是最核心的，只要把这 200 行看懂了，那么就都懂了。
核心代码简单筛选如下

需要查阅的文件：vector ➡ stl_vector.h ➡ stl_construct.h

💨vector

#include <stl_algobase.h>
#include <stl_alloc.h>
#include <stl_construct.h>
#include <stl_uninitialized.h>
#include <stl_vector.h>
#include <stl_bvector.h>

💨stl_vector.h

//这里的模板给的是缺省参数,也就意味着不传也行。Alloc是空间配置器,是一个内存池去申请和释放空间,我们直接用new也行,只不过内存池的效率要高一点
template <class T, class Alloc = alloc>
class vector 
public:
	typedef T value_type;
	typedef value_type* iterator;
protected:
	//这里为啥没有看到指针、size、capacity之类的东西? ———— 我们可以先看下iterator是啥(在public里已经指明了)
	//所以这里就给了三个T*的指针
	iterator start;
 	iterator finish;
 	iterator end_of_storage;
public:
	//其次还可以去看下它的构造函数,它完成了对3个成员变量的初始化工作
	vector() : start(0), finish(0), end_of_storage(0) 
	//其次再看下push_back的实现
	//现阶段我们看源码还是有些难度的,等到后期我们会深挖
 	void push_back(const T& x) 
 	//说明没满
    if (finish != end_of_storage) 
    //这里不是直接赋值,而是调用construct,原因这里要对一块已有的空间显示调用构造函数初始化,我们在stl_vector.h里并没有找到有关实现
    //其实这里就要结合vector来看了,上面我们不是有一堆头文件嘛,那么它的实现肯定就在stl_vector.h上面的头文件中————stl_construct.h
      construct(finish, x);//怎么实现的?
      ++finish;
    
    //满了,增容
    else
      insert_aux(end(), x);//怎么实现的?

💨stl_construct.h

//construct是一个函数模板2
template <class T1, class T2>
inline void construct(T1* p, const T2& value) 
  new (p) T1(value);//定位new表达式

📝补充

对于顺序表而言，虽然它改名为 vector 了，但它的实现跟以前的了解的还是大同小异的。

一、vector的介绍及使用

💦 vector的介绍

vector的文档介绍

vector 是表示可变大小数组序列容器
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
本质讲，vector 使用动态分配数组来存储它的元素。当新元素插入的时候，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
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组增长的间隔大小，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
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
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

💦 vector的使用

1、vector的定义

(constructor)构造函数声明	接口说明
⭐vector()	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)	拷贝构造
vector(InputIterator first, InputIterator last)	使用迭代器进行初始化构造

📝说明

default(1)
这里给的是一个缺省值，现在这个阶段我们只要看到 alloc 就可以直接忽略它，它是 STL 六大组件中的空间配置器。
fill(2)
value_type 是第一个模板参数，它是一个 \\0
range(3)
这里的迭代器还是一个函数模板，也就是说这里的迭代器不一定是 vector 的迭代器

#include<iostream>
#include<vector>
#include<string>
using namespace std;

void test_vector1()

	vector<int> v;   
	//在C实现数据结构中我们的代码风格是驼峰法，而STL整体的风格是小写和下划线分隔的风格
	v.push_back(1);
	v.push_back(2);
	v.push_back(3);
	v.push_back(4);
	v.push_back(5);

	//遍历vector
	//1、operator[]
	for(size_t i = 0; i < v.size(); ++i)
	
		v[i] -= 1;
		cout << v[i] << " ";	
	
	cout << endl;
	//2、迭代器
	vector<int>::iterator it = v.begin();
	while(it != v.end())
	
		*it += 1;
		cout << *it << " ";	
		++it;
	
	cout << endl;
	//3、范围for
	for(auto& e : v)
	
		++e;
		cout << e << " ";	
	
	cout << endl;
	
	//为什么有了vector,还要有string呢
	//vector里给char，虽然它们底层都是数组中存储char,但是还是不一样的
	//相比T是char的vector,s对象中指向的空间结尾有\\0,这样符合很多规范,比如需要去玩strstr、strcpy等,而vector不能玩+=字符串等
	//所以说T是char的vector不能去替代string 
	string s("111111");
	vector<char> vc(6, '1');

	//可以使用一段迭代器区间去构造,也可以控制这一段区间,且这里属于深拷贝(所有自己有独立空间的都要深拷贝)
	vector<int> v1(v.begin(), v.end());
	vector<int> v2(++v.begin(), --v.end());
	//可以使用其它容器的迭代器去构造,只要数据类型可以匹配上(*iterator对象的类型跟vector中存的数据类型是一致的)
	string s1("hello world");
	vector<char> v3(s1.begin(), s1.end());
	//vector<char*> v3(s1.begin(), s1.end());//err,无法从char转换到char*
	//怎么实现的
	/*template<class InputIterator>
	vector(InputIterator first, InputIterator last)
	
		 while(first != last)
		 
		 	push_back(*first);
		 	++first;	
		 	
	*/

	//拷贝构造
	vector<int> v4(v);

int main()

	test_vector1();
	return 0;

📝补充

List item

这里我们发现一个问题，我们在用容器时，都不关心析构，因为出了作用域它自动调用，但是你得知道析构函数的价值。
List item

vecor 是没有设计写时拷贝的，string 有可能设计了，并且之前也说了在 STL 容器上，写时拷贝也是存在缺陷的，所以并不是特别主流，g++ 下有用过，但好像后面还是舍弃了(这里后面会验证)

2、vector iterator的使用

接口	说明
⭐begin+end	获取第一个位置的 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，获取第一个数据的前一个位置的 reverse_iterator

#include<iostream>
#include<vector>
using namespace std;

void test_vector1()

	vector<int> v;   

	v.push_back(1);
	v.push_back(2);
	v.push_back(3);
	v.push_back(4);
	v.push_back(5);

	//begin+end,这里和string非常相似，可以说迭代器就是指针
	vector<int>::iterator it = v.begin();
	while(it != v.end())
	
		cout << *it << " ";	
		++it;
	
	cout << endl;

	//rbegin+rend,rbegin(rit)指向5,rend指向1,++rit怎么会倒着走呢
	//这里rit其实不再是原生指针了,它是一个被封装的类对象,重载operator++,才能实现++rit时是反向走,具体细节后面会说明
	//所以这就是之前为什么说迭代器不一定是(原生)指针的原因
	vector<int>::reverse_iterator rit = v.rbegin();
	while(rit != v.rend())
	
		cout << *rit << " ";
		++rit; 
	
	cout << endl;

int main()

	test_vector1();
	return 0;

📝补充

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	改变 vector 的 size
⭐reserve	改变 vector 放入 capacity

#include<iostream>
#include<vector>
using namespace std;

void test_vector1()

	vector<int> v;   

	//开空间,改变容量,如果确定知道需要多少空间,reserve可以缓解vector增容所带来的代价
	v.reserve(10);
	/* err,错误访问,在之前string里就说明了operator[]会去检查下标是否小于size,[]只能去对size范围内的数据使用
	for(size_t i = 0; i < 10; ++i)
	
		v[i] = i;	
	
	*/
	//ok,正确访问
	for(size_t i = 0; i < 10; ++i)
	
		v.push_back(i);	
	
	
	//开空间+默认初始化,resize会影响size
	v.resize(20);	
	//开空间+指定初始化
	v.resize(20, 1);

int main()

	test_vector1();
	return 0;

📝补充

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operator[] 和 at 的区别 ❓

它们的功能类似，区别点在于：operator[] 检查越界比较粗暴，如果下标大于等于 size，它会直接断言报错，并中止程序；而 at 报错会抛异常，捕获后，它不会直接中止掉程序。
List item

在 string 里也说明过了。这里vector 的 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，且这里的初始容量是 0；g++ 是按 2 倍增长的，且这里的初始容量也是 0。这个问题经常会考察，不要固化的认为，顺序表的增容都是 2 倍，具体增长多少是根据具体的需求定义的。vs 是 PJ 版本的 STL，g++ 是 SGI 版本的 STL.

4、vector增删查改

vector 增删查改	接口说明
⭐push_back	尾插
⭐pop_back	尾删
find	查找(注意这个是算法模块的实现，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[]	像数组一样访问

#include<iostream>
#include<vector>
#include<algorithm>
#include<functional>
using namespace std;

void test_vector1()

	std::vector<int> first;
	std::vector<int> second;
	std::vector<int> third;

	//assign可以分配新内容，替换其当前内容，并相应地修改其size
	//n个val
	first.assign(7, 100);

	//迭代器区间
	std::vector<int>::iterator it;
	it = first.begin() + 1;
	second.assign(it, first.end() - 1);
	
	//指针区间,这里myints指向1,myints+3指向4,为什么只输出1 2 3
	//这里的两个参数myints,myints+3分别传给迭代器区间first,last。迭代器一定是一个左闭右开的区间[first, last),因为迭代器的循环条件是first!=last
	int myints[] =  1, 2, 3, 4, 5 ;
	third.assign(myints, myints + 3);
	for(auto e : third)
	
		std::cout << e << " ";	
	

	std::cout << "Size of first:" << int(first.size()) << '\\n';
	std::cout << "Size of second:" << int(second.size()) << '\\n';
	std::cout << "Size of third:" << int (third.size()) << '\\n';

void test_vector2()

	int a[] =  1, 2, 3, 4, 5 ;
	vector<int> v(a, a + 5);
	
	//头插
	v.insert(v.begin(), 0);
	
	//在2的前面插入,可以先find 2,但是vector没有提供find,但是算法里提供了函数模板的find
	//之所以算法里提供find的原因是vector要find,list要find,所以这里的find提供一个模板就解决了,你可以是vector的迭代器,也可以是list的迭代器,string的迭代器没必要,当然string里自己提供了,为什么string要自己提供呢
	//因为string不仅要支持find一个字符,还要支持查找一个字符串,使用find要包algorithm
	vector<int>::iterator pos = find(v.begin(), v.end(), 2);
	if(pos != v.end())//找不到返回last
	
		v.insert(pos, 20);	
	

void test_vector3()

	//讲了算法里的find后,顺道再讲一下比较常用的sort
	int a[] =  1, 20, 2, 3, 4, 5 ;
	vector<int> v(a, a + 6);
	//升序
	sort(v.begin(), v.end());
	//降序,这里需要传一个比较器对象,这里就涉及仿函数,具体在后面优先级队列会详细介绍,使用它需要包functional
	/*greater<int> gt;
	sort(v.begin(), v.end(), gt);*/
	sort(v.begin(), v.end(), greater<int>());//同上,更推荐使用匿名对象

	//sort不仅可以对容器排序,还可以对数组排序,因为指向数组空间的指针是天然的迭代器
	//也就是说从现在开始就可以把C语言的qsort放弃了 
	int b[] =  30, 4, 50, 6, 7 ;
	sort(b, b + 5);

void test_vector4()

	int a[] =  1, 20, 2, 3, 4, 5 ;
	vector(int> v(a, a + 6);
	
	//头删
	v.erase(v.begin());
	
	//删除2
	vector<int>::iterator pos = find(v.begin, v.end(), 2);
	if(pos != v.end))
	
		v.erase(pos);
		

int main()

	test_vector1();
	test_vector2();
	test_vector3();
	test_vector4();
	return 0;

📝说明

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List item

operator[] 和 at 的区别 ❓

它们的功能类似，区别点在于：operator[] 检查越界比较粗暴，如果下标大于等于 size，它会直接断言报错；而 at 报错会抛异常，捕获后，它不会直接中止掉程序。

5、vector迭代器失效问题(建议与vector的模拟实现一起分析)

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(迭代器失效问题就类似于野指针问题)，而使用一块已经被释放的空间，造成的后果就是程序崩溃(即如果继续使用已经失效的迭代器，程序可能会崩溃)

#include<iostream>
#include<vector>
#include<algorithm>
using namespace std;

void test_vector1()

	vector<int> v;
	v.push_back(1);
	v.push_back(2);
	v.push_back(3);
	v.push_back(4):
	
	vector<int>::iterator pos = find(v.begin(), v.end(), 以上是关于C++初阶：STL —— vectorvector的介绍及使用 | 迭代器失效问题 | vector的深度剖析及模拟实现的主要内容，如果未能解决你的问题，请参考以下文章 
 C++初阶---vector的使用及模拟实现 (待写。。)。
 C++初阶---STL入门+(string)
 C++初阶：STL简介
 C++初阶：STL简介
 C++标准模板库STL最全总结收藏方便使用
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