c++——vector
vector的介绍
vector的简介
- vector是表示可变大小数组的序列容器。
- vector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。
- 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。
迭代器的作用
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。
vector的迭代器失效问题
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)。
可能导致vector迭代器失效的操作
- 会引起底层空间变化的操作，都有可能会导致vector迭代器失效
#include <iostream>
using namespace std;
#include <vector>
int main()
{
vector<int> v{1,2,3,4,5,6};
auto it = v.begin();
v.resize(100, 8);
v.reserve(100);
v.insert(v.begin(), 0);
v.push_back(8);
v.assign(100, 8);
while(it != v.end())
{
cout<< *it << " " ;
++it;
}
cout<<endl;
return 0;
}
v.resize(100, 8);
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.reserve(100);
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.insert(v.begin(), 0);
v.push_back(8);
插入元素期间，可能会引起扩容，而导致原空间被释放
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。
2.删除指定位置数据的操作
#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
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。
迭代器失效解决办法：在使用前，对迭代器重新赋值即可。
vector的模拟实现
无参构造函数，把_start、_finish、_endOfStoage都都初始化为空，用于构建一个空的vector的对象。
//无参构造函数
vector()
:_start(nullptr)
,_finish(nullptr)
,_endOfStoage(nullptr)
{
}
带参构造函数用于构建一个n大小的vector对象，并把该对象里的每一个元素都初始化为val
//带参构造函数，开n大小的空间并把空间里的数据初始化为val
vector(int n, const T& val = T())
:_start(nullptr)
,_finish(nullptr)
,_endOfStoage(nullptr)
{
reserve(n);
for (size_t i; i < n; i++)
{
push_back(val);
}
}
模板构造函数，用于从给定的迭代器范围构建一个 vector 对象，它可以接受任何类型的迭代器作为输入。
构造函数采用两个迭代器参数：first 和 last，它们指定了要拷贝的元素范围。first 是要拷贝的第一个元素，last 是要拷贝的最后一个元素的下一个位置。
构造函数首先将 _start、_finish 和 _endOfStoage 初始化为 nullptr，表示该 vector 对象当前为空。然后，它使用 while 循环遍历从 first 到 last 的每个元素，并通过 push_back 函数将它们逐个添加到 vector 的末尾。
在循环中，push_back(*first) 将迭代器 first 指向的元素添加到 vector 的末尾。
最后，迭代器 first 自增，以便指向下一个要添加的元素。
目的是使用给定范围的元素初始化一个 vector 对象。
//创建一个模板函数接收任何迭代器类型的输入
template<class inputIterator>
vector(inputIterator first, inputIterator last)
//first和last指定了要拷贝数据的范围
:_start(nullptr)
,_finish(nullptr)
,_endOfStoage(nullptr)
{
//遍历first到last的每一个元素并插入到vector的末尾
while (first != last)
{
push_back(*first);
first++;
}
}
swap 的函数，它接受一个 vector 对象的引用作为参数，并且没有返回值。在函数内部，使用了 std::swap 函数来交换当前对象的 _start, _finish, _endOfStoage 成员和参数 v 的对应成员。
通过调用 std::swap 函数来交换指针的值，实际上是交换了存储的地址而不是交换了数据。这样可以高效地实现两个 vector 对象之间的元素交换，而不需要实际复制数据。
void swap(vector<T>& v)
{
/*_start = v._start;
_finish = v._finish;
_endOfStoage = v._endOfStoage;*/
std::swap(_start, v._start);
std::swap(_finish, v._finish);
std::swap(_endOfStoage, v._endOfStoage);
}
拷贝构造函数，它首先创建了一个名为 tmp 的临时 vector 对象，通过使用 v 的迭代器范围构造这个临时对象。
然后，调用了之前定义的 swap 函数，将当前对象的内容与临时对象 tmp 进行了交换。这样做的目的是，通过交换指针，实现了对当前对象的数据成员的正确初始化，同时将 tmp 对象的内容复制到当前对象中。
这种方法避免了在拷贝构造函数中进行元素逐个复制的操作，从而提高了效率。通过利用 swap 函数，可以将临时对象的资源管理转移到当前对象上，同时确保在函数结束时临时对象被销毁，从而避免了资源泄漏。
//拷贝构造函数
vector(vector<T>& v)
//在这里vector<T>& v前不能加const因为传入的v对象会被改变
:_start(nullptr)
,_finish(nullptr)
,_endOfStoage(nullptr)
{
//用tmp初始化为v
vector<T> tmp(v.begin(), v.end());
swap(tmp);
}
赋值重载，通过把当前指针和v对象的指针进行交换，让当前指针指向v对象，以此来实现对象赋值的作用。这样做的目的是，通过交换指针的方式来实现资源的转移和数据的拷贝，避免了对每个元素逐个复制的操作，从而提高了效率。
//赋值重载
vector& operator=(vector<T> v)
{
swap(v);
return *this;
}
析构函数
//析构函数
~vector()
{
if (_start)
{
delete[] _start;
_start = _finish = _endOfStoage = nullptr;
}
}
size_t size() const
//获取vector有效数据的个数
size_t size() const
{
return _finish - _start;
}
size_t capacity() const
//获取vector的空间大小
size_t capacity() const
{
return _endOfStoage - _start;
}
reserve(size_t n)，用于创建一个n大小的vector对象，并且把原来空间的元素拷贝到新的空间，注意为了避免迭代器失效，在创建空间前记录一下原空间有效数据的个数，防止在销毁原对象后this->size()找不到相应的对象而引起的迭代器失效。
//申请n大小的新空间并把原来空间的数据拷贝到新空间,释放原来的空间，把旧空间的迭代器指向新空间
void reserve(size_t n)
{
size_t sz = size();
T* tmp = new T[n];
if (n > capacity())
{
/*while (_start < _finish)
{
*tmp = *_start;
tmp++;
_start++;
}*/
for (size_t i = 0; i < size(); i++)
{
tmp[i] = _start[i];
}
delete[] _start;
}
_start = tmp;
_finish = _start + sz;
_endOfStoage = n + _start;
}
resize(size_t n, const T& val = T())，注意，resize()和reserve()不同的是如果n大于当前对象的容量大小就创建一个n大小的对象，除了把原对象的元素拷贝到新的对象里还要把_finish到n大小的空间初始化为val.
//申请n大小的空间并把空间里的数据初始化为val
void resize(size_t n, const T& val = T())
{
if (n < size())
{
_finish = _start + n;
}
else
{
if (n > capacity())
{
reserve(n);
while (_finish != _start + n)
{
*_finish = val;
_finish++;
}
}
}
}
T& operator[](size_t pos)
//[]操作符的重载
T& operator[](size_t pos)
{
assert(pos < size());
return _start[pos];
}
const T& operator[](size_t pos) const
const T& operator[](size_t pos) const
{
assert(pos < size());
return _start[pos];
}
push_back(const T& x)
//尾插
void push_back(const T& x)
{
if (_finish == _endOfStoage)
{
size_t newCapacity = capacity() == 0 ? 4 : capacity() * 2;
reserve(newCapacity);
}
*_finish = x;
_finish++;
}
pop_back()
//尾删
void pop_back()
{
if (_finish > _start)
{
_finish--;
}
}
iterator insert(iterator pos, const T& x)
//插入
iterator insert(iterator pos, const T& x)
{
assert(pos >= _start && pos <= _finish);
if (_finish == _endOfStoage)
{
size_t n = pos - _start;
size_t newCapacity = capacity() == 0 ? 4 : capacity() * 2;
reserve(newCapacity);
pos = _start + n;
}
iterator end = _finish - 1;
while (end >= pos)
{
*(end + 1) = *end;
end--;
}
*pos = x;
_finish++;
return pos;
}
iterator erase(iterator pos)，在函数内部，首先通过 assert 断言来确保要删除的位置 pos 是在有效范围内的，即在 _start 和 _finish 之间。然后创建一个名为 begin 的迭代器，指向要删除元素的下一个位置。
接下来使用一个 while 循环遍历从 begin 到 _finish 之间的元素，将每个元素向前移动一位，覆盖掉前一个位置的元素。循环结束后，将 _finish 指针向前移动一位，表示删除了一个元素。
最后，函数返回原始的 pos 迭代器，指向被删除元素的位置。
//删除
iterator erase(iterator pos)
{
assert(pos >= _start && pos <= _finish);
iterator begin = pos + 1;
while (begin < _finish)
{
*(begin - 1) = *begin;
begin++;
}
_finish--;
return pos;
}
完整代码
vector.h
#pragma once
#include<assert.h>
#include<iostream>
#include<algorithm>
using namespace std;
namespace lwd
{
template<class T>
class vector
{
public:
typedef T* iterator;
typedef const T* const_iterator;
iterator begin()
{
return _start;
}
iterator end()
{
return _finish;
}
const_iterator cbegin()
{
return _start;
}
const_iterator cend() const
{
return _finish;
}
//无参构造函数
vector()
:_start(nullptr)
,_finish(nullptr)
,_endOfStoage(nullptr)
{
}
//带参构造函数，开n大小的空间并把空间里的数据初始化为val
vector(int n, const T& val = T())
:_start(nullptr)
,_finish(nullptr)
,_endOfStoage(nullptr)
{
reserve(n);
for (size_t i; i < n; i++)
{
push_back(val);
}
}
//创建一个模板函数接收任何迭代器类型的输入
template<class inputIterator>
vector(inputIterator first, inputIterator last) //first和last指定了要拷贝数据的范围
:_start(nullptr)
,_finish(nullptr)
,_endOfStoage(nullptr)
{
//遍历first到last的每一个元素并插入到vector的末尾
while (first != last)
{
push_back(*first);
first++;
}
}
void swap(vector<T>& v)
{
/*_start = v._start;
_finish = v._finish;
_endOfStoage = v._endOfStoage;*/
std::swap(_start, v._start);
std::swap(_finish, v._finish);
std::swap(_endOfStoage, v._endOfStoage);
}
//拷贝构造函数
vector(vector<T>& v) //在这里vector<T>& v前不能加const因为传入的v对象会被改变
:_start(nullptr)
,_finish(nullptr)
,_endOfStoage(nullptr)
{
//用tmp初始化为v
vector<T> tmp(v.begin(), v.end());
swap(tmp);
}
//赋值重载
vector& operator=(vector<T> v)
{
swap(v);
return *this;
}
//析构函数
~vector()
{
if (_start)
{
delete[] _start;
_start = _finish = _endOfStoage = nullptr;
}
}
//获取vector有效数据的个数
size_t size() const
{
return _finish - _start;
}
//获取vector的空间大小
size_t capacity() const
{
return _endOfStoage - _start;
}
//申请n大小的新空间并把原来空间的数据拷贝到新空间,释放原来的空间，把旧空间的迭代器指向新空间
void reserve(size_t n)
{
size_t sz = size();
T* tmp = new T[n];
if (n > capacity())
{
/*while (_start < _finish)
{
*tmp = *_start;
tmp++;
_start++;
}*/
for (size_t i = 0; i < size(); i++)
{
tmp[i] = _start[i];
}
delete[] _start;
}
_start = tmp;
_finish = _start + sz;
_endOfStoage = n + _start;
}
//申请n大小的空间并把空间里的数据初始化为val
void resize(size_t n, const T& val = T())
{
if (n < size())
{
_finish = _start + n;
}
else
{
if (n > capacity())
{
reserve(n);
while (_finish != _start + n)
{
*_finish = val;
_finish++;
}
}
}
}
//[]操作符的重载
T& operator[](size_t pos)
{
assert(pos < size());
return _start[pos];
}
const T& operator[](size_t pos) const
{
assert(pos < size());
return _start[pos];
}
//尾插
void push_back(const T& x)
{
if (_finish == _endOfStoage)
{
size_t newCapacity = capacity() == 0 ? 4 : capacity() * 2;
reserve(newCapacity);
}
*_finish = x;
_finish++;
}
//尾删
void pop_back()
{
if (_finish > _start)
{
_finish--;
}
}
//插入
iterator insert(iterator pos, const T& x)
{
assert(pos >= _start && pos <= _finish);
if (_finish == _endOfStoage)
{
size_t n = pos - _start;
size_t newCapacity = capacity() == 0 ? 4 : capacity() * 2;
reserve(newCapacity);
pos = _start + n;
}
iterator end = _finish - 1;
while (end >= pos)
{
*(end + 1) = *end;
end--;
}
*pos = x;
_finish++;
return pos;
}
//删除
iterator erase(iterator pos)
{
assert(pos >= _start && pos <= _finish);
iterator begin = pos + 1;
while (begin < _finish)
{
*(begin - 1) = *begin;
begin++;
}
_finish--;
return pos;
}
private:
iterator _start;
iterator _finish;
iterator _endOfStoage;
};
}
Test.h
#define _CRT_SECURE_NO_WARNINGS
#include"Vector.h"
void TestVector()
{
lwd::vector<int> v;
v.push_back(1);
v.push_back(2);
v.push_back(3);
v.push_back(4);
v.push_back(5);
//普通遍历
for (size_t i = 0; i < v.size(); i++)
{
cout << v[i] << " ";
}
cout << endl;
//范围for遍历
for (auto e : v)
{
cout << e << " ";
}
cout << endl;
cout << "capacity:" << v.capacity() << endl;
//头删
v.erase(v.begin());
for (auto e : v)
{
cout << e << " ";
}
cout << endl;
//插入
v.insert(v.begin()+2, 1206);
for (auto e : v)
{
cout << e << " ";
}
cout << endl;
//resize的测试
v.resize(10, 107);
for (auto e : v)
{
cout << e << " ";
}
cout << endl;
//reserve的测试
v.reserve(50);
cout << "capacity:" << v.capacity() << endl;
//迭代器测试
auto it = v.begin();
while (it != v.end())
{
cout << *it << " ";
it++;
}
cout << endl;
//区域遍历
lwd::vector<int> v1(v.begin() + 2, v.end());
for (auto e : v1)
{
cout << e << " ";
}
cout << endl;
//拷贝构造测试
lwd::vector<int> v2(v);
v2.push_back(1206);
v2.push_back(1206);
for (auto e : v2)
{
cout << e << " ";
}
cout << endl;
}
int main()
{
TestVector();
return 0;
}
代码测试结果
本文章到这里结束了，文章中不仅有上课时记的笔记还有一些个人的理解，会有一些理解错误的地方，还望大家帮忙指正。