stl-vector详解

Posted 2020-07-11

stl-vector是应用最广泛的一种容器，类似于array，都将数据存储于连续空间中，支持随机访问。相对于array，vector对空间应用十分方便、高效，迭代器使vector更加灵活、安全。设计皆由vector起，键盘之下尽vector。

1 vector本质

    vector数据结构如下，通过三个迭代器start, finish, end_of_storage的系列public接口，可很好地完成数据存储、溢出判断(iter >= iv.end())、大小、容量(容量与大小不等，以免不断申请空间耗费资源)、重载操作符[]、判空、最前元素、最后元素等等。

class vector{
…
protected:
    iterator  start ; 
    iterator  finish; 
    iterator  end_of_storage;
public:
    iterator  begin () { return  start ; } 
    iterator  end() { return  finish; } 
    size_type size() const { return size_type( end() - begin()); } 
    size_type capacity() const { return size_type(end_of_storage - begin()); } 
    bool empty () const { return begin() == end(); } 
    reference operator[] (size_type n) { return *(begin() + n); } 
    reference front () { return  *begin(); } 
…
}

    由于vector是用连续空间存储数据，不断扩容将导致大量的新空间申请、元素拷贝和释放原有空间，十分耗时，vector申请空间时，都将多申请部分空间备用，如下图的[finish, end_of_storage)所示。只有当finish == end_of_storage时，再申请新的空间(2*capacity()), 图2就是在图1的基础上，再插入元素引起的空间变化时的数据存储情景。

图1 vector数据存储-1

    在图1和图2中的start不再指向相同的地址，扩大空间是新请新的更大的空间，因而不仅是start迭代器，其它指向空间变化前vector的迭代器都将失效。此处极易引起bug。

图2 vector数据存储-2

2 vector常用方法与技巧

1、空间申请

    构造函数、reserve()、resize()。

vector<int> iv(3, -1);
iv.reserve(10);
iv.resize(10, -1);

构造函数不述；

     reserve(n)，申请空间，等同于扩大[finish, end_of_storage)，当n <= capacity()时，无效，可以理解为主要改变end_of_storage(或capacity)——reserve()匹配capacity()；

     resize(10)，申请空间并赋值，等同于改变[start, finish)，可以理解为主要改变finish(或size())——resize()匹配size()。

2、空间释放

    erase()、resize()、clear()均仅改变finish(或size())，不改变end_of_storage。

    swap()释放空间——清空，改变end_of_storage:

vector<int> iv(10, -1);
iv.reserve(500);
vector<int>().swap(iv);//交换空间
cout<<iv.capacity()<<endl;//输出0

    swap()释放空间——释放多余空间，改变end_of_storage:

vector<int> iv(10, -1);
iv.reserve(500);
vector<int>(iv).swap(iv);//交换空间
cout<<iv.capacity()<<endl;//输出10

3、resize()与operator []

    operator []使得vector与array处理完全类似，但operator []极易引起异常与错误，如下：

vector<int> iv();
iv.reserve(500);
iv[300] = -1;
cout<<iv.capacity()<<endl;//输出500
cout<<iv.size()<<endl;//输出0

这里就引起了迭代器不符合预期，也不知道什么才是预期。建议用法为resize()与operator []一起使用，从而使得操作完全等同于array，且安全：

vector<int> iv();
iv.resize(500, 0);
iv[300] = -1;
cout<<iv.capacity()<<endl;//输出500
cout<<iv.size()<<endl;//输出500

4、vector迭代器

    vector的迭代器十分简单，等同于指针，++、--、+n、-n、>、<、!=等操作都可应用——random access iterator，基本上全部stl algorithms均可以在此上应用。

    vector的插入操作，可能造成空间重新分配，使原有迭代器失效。

    PS：强烈不推荐使用>，<，≤，≥之类比较迭代器，遍历时直接使用!=即可，以免混于其它非random access iterator的容器。

 

参考资料：

1、侯捷. STL源码剖析;

2、侯捷. STL源码剖析注释;

对于同仁们的布道授业，一并感谢。

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