【c++】vector以及vector的模拟实现

用户10925563

发布于 2024-06-04 13:18:52

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vector的介绍及使用

1.vector的介绍

https://cplusplus.com/reference/vector/vector/

vector是表示可变大小数组的序列容器
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（deque, list and forward_list）， 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list和forward_list统一的迭代器和引用更好

使用STL的三个境界：能用，明理，能扩展

2.vector的使用

vector学习时一定要学会查看文档：https://cplusplus.com/reference/vector/vector/

vector在实际中非常的重要，在实际中我们熟悉常见的接口就可以，下面列出了哪些接口是要重点掌握的

2.1 vector的定义

2.2 vector iterator 的使用

2.3 vector 空间增长问题

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

2.4 vector 增删查改

2.5 vector 迭代器失效问题(重点)

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)

对于vector可能会导致其迭代器失效的操作有：

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;
}

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

注意：Linux下，g++编译器对迭代器失效的检测并不是非常严格，处理也没有vs下极端从上述三个例子中可以看到：SGI STL中，迭代器失效后，代码并不一定会崩溃，但是运行结果肯定不对，如果it不在begin和end范围内，肯定会崩溃

// 1. 扩容之后，迭代器已经失效了，程序虽然可以运行，但是运行结果已经不对了
int main()
{
	vector<int> v{ 1,2,3,4,5 };
	for (size_t i = 0; i < v.size(); ++i)
		cout << v[i] << " ";
	cout << endl;
	auto it = v.begin();
	cout << "扩容之前，vector的容量为: " << v.capacity() << endl;
	// 通过reserve将底层空间设置为100，目的是为了让vector的迭代器失效 
	v.reserve(100);
	cout << "扩容之后，vector的容量为: " << v.capacity() << endl;

	// 经过上述reserve之后，it迭代器肯定会失效，在vs下程序就直接崩溃了，但是linux下不会
	// 虽然可能运行，但是输出的结果是不对的
	while (it != v.end())
	{
		cout << *it << " ";
		++it;
	}
	cout << endl;
	return 0;
}
程序输出：
1 2 3 4 5
扩容之前，vector的容量为: 5
扩容之后，vector的容量为 : 100
0 2 3 4 5 409 1 2 3 4 5

// 2. erase删除任意位置代码后，linux下迭代器并没有失效
// 因为空间还是原来的空间，后序元素往前搬移了，it的位置还是有效的
#include <vector>
#include <algorithm>
int main()
{
	vector<int> v{ 1,2,3,4,5 };
	vector<int>::iterator it = find(v.begin(), v.end(), 3);
	v.erase(it); cout << *it << endl;
	while (it != v.end())
	{
		cout << *it << " ";
		++it;
	}
	cout << endl;
	return 0;
}
程序可以正常运行，并打印：
4
4 5

// 3: erase删除的迭代器如果是最后一个元素，删除之后it已经超过end
// 此时迭代器是无效的，++it导致程序崩溃
int main()
{
	vector<int> v{ 1,2,3,4,5 };
	// vector<int> v{1,2,3,4,5,6};
	auto it = v.begin();
	while (it != v.end())
	{
		if (*it % 2 == 0)
			v.erase(it);
		++it;
	}
	for (auto e : v)
		cout << e << " ";
	cout << endl;
	return 0;
}
========================================================
// 使用第一组数据时，程序可以运行
[sly@VM - 0 - 3 - centos 20220114]$ g++ testVector.cpp - std = c++11
[sly@VM - 0 - 3 - centos 20220114]$ . / a.out
1 3 5
======================================================== =
// 使用第二组数据时，程序最终会崩溃
[sly@VM - 0 - 3 - centos 20220114]$ vim testVector.cpp
[sly@VM - 0 - 3 - centos 20220114]$ g++ testVector.cpp - std = c++11
[sly@VM - 0 - 3 - centos 20220114]$ . / a.out
Segmentation fault

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;
	}
}

迭代器失效解决办法：在使用前，对迭代器重新赋值即可

3.vector深度剖析及模拟实现

3.1 使用memcpy拷贝问题

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()
{
    bite::vector<bite::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

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

3.2 动态二维数组理解

// 以杨慧三角的前n行为例：假设n为5
void test2vector(size_t n)
{
// 使用vector定义二维数组vv，vv中的每个元素都是vector<int>vector<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];
		}
	}
}

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：

使用标准库中vector构建动态二维数组时与上

3.3 代码实现

由于vector实例化的时候需要类型，所以在命名空间中用类模板进行实现

#pragma once
#include<assert.h>
namespace dc
{
	template<class T>
	class vector
	{
	public:
		typedef T* iterator;
		typedef const T* const_iterator;

		vector()
		{}
		//v2(v1)
		vector(const vector<T>& v)
		{
			reserve(v.capacity());
			for (auto& e : v)
			{
				push_back(e);
			}
		}
		vector(size_t n, const T& val = T())
		{
			reserve(n);
			for (size_t i = 0; i < n; i++)
			{
				push_back(val);
			}
		}
		vector(int n, const T& val = T())
		{
			reserve(n);
			for (int i = 0; i < n; i++)
			{
				push_back(val);
			}
		}
		//类模板的成员函数可以是函数模板
		//迭代器区间构造
		template <class InputIterator>
		vector(InputIterator first, InputIterator last)
		{
			while (first != last)
			{
				push_back(*first);
				++first;
			}
		}
		//vector<int> v1 = {1,2,3,4,5,6,7,8,9,10};
		vector(initializer_list<T> il)
		{
			reserve(il.size());
			for (auto& e : il)
			{
				push_back(e);
			}
		}
		void swap(vector<T>& v)
		{
			std::swap(_start, v._start);
			std::swap(_finish, v._finish);
			std::swap(_endofstorage, v._endofstorage);
		}
		//v3=v1
		vector<T>& operator=(vector<T> v)
		{
			swap(v);
			return *this;
		}
		~vector()
		{
			delete[] _start;
			_start = _finish = _endofstorage = nullptr;
		}
		size_t size() const
		{
			return _finish - _start;
		}
		size_t capacity() const
		{
			return _endofstorage - _start;
		}
		void reserve(size_t n)
		{
			if (n > capacity())
			{
				size_t old_size = size();
				T* tmp = new T[n];
				memcpy(tmp, _start, size() * sizeof(T));
				//for (size_t i = 0; i < old_size; i++)
				//{
				//	tmp[i] = _start[i];
				//}
				delete[] _start;

				_start = tmp;
				_finish = tmp + old_size;
				_endofstorage = tmp + n;
			}
		}
		void resize(size_t n, const T& val = T())
		{
			if (n > size())
			{
				//插入
				reserve(n);
				while (_finish < _start + n)
				{
					*_finish = val;
					++_finish;
				}
			}
			else
			{
				//删除
				_finish = _start + n;
			}
		}
		iterator begin()
		{
			return _start;
		}
		iterator end()
		{
			return _finish;
		}
		const_iterator begin() const
		{
			return _start;
		}
		const_iterator end() const
		{
			return _finish;
		}
		T& operator[](size_t pos)
		{
			assert(pos < size());
			return _start[pos];
		}
		const T& operator[](size_t pos) const
		{
			assert(pos < size());
			return _start[pos];
		}
		void push_back(const T& val)
		{
			//if (_finish == _endofstorage)
			//{
			//	reserve(capacity() == 0 ? 4 : capacity() * 2);

			//	//size_t old_size = size();
			//	扩容
			//	//size_t newcapacity = capacity() == 0 ? 4 : capacity() * 2;
			//	//T* tmp = new T[newcapacity];
			//	//memcpy(tmp, _start, size() * sizeof(T));
			//	//delete[] _start;

			//	//_start = tmp;
			//	//_finish = tmp + old_size;
			//	//_endofstorage = tmp + newcapacity;
			//}
			//*_finish = val;
			//_finish++;
			insert(end(), val);
		}
		void pop_back()
		{
			//assert(_start > _finish);
			//assert(!empty());
			//--_finish;
			erase(end()-1);
		}
		bool empty()
		{
			return _start == _finish;
		}
		void insert(iterator pos, const T& val)
		{
			assert(pos >= _start);
			assert(pos <= _finish);
			if (_finish == _endofstorage)
			{
				size_t len = pos - _start;
				reserve(capacity() == 0 ? 4 : capacity() * 2);
				pos = _start + len;
			}
			iterator it = _finish - 1;
			while (it >= pos)
			{
				*(it + 1) = *it;
				it--;
			}
			*pos = val;
			++_finish;

		}
		iterator erase(iterator pos)
		{
			assert(pos >= _start);
			assert(pos < _finish);
			iterator it = pos + 1;
			while (it < _finish )
			{
				*(it - 1) = *it;
				it++;
			}
			_finish--;
			return pos;
		}

	private:
		iterator _start = nullptr;
		iterator _finish = nullptr;
		iterator _endofstorage = nullptr;
	};
	template<class T>
	void print_vector(const vector<T>& v)
	{
		//for (size_t i = 0; i < v.size(); i++)
		//{
		//	cout << v[i] << " ";
		//}
		//cout << endl;
		//typename vector<T>::const_iterator it = v.begin();
		auto it = v.begin();
		//while (it != v.end())
		//{
		//	cout << *it << " ";
		//	it++;
		//}
		//cout << endl;
		for (auto e : v)
		{
			cout << e << " ";
		}
		cout << endl;
	}
}

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