C++初阶-vector的介绍及使用

一、vector的介绍

string底层是一个字符数组，模拟实现string类，最主要是实现string类的构造、拷贝构造、赋值运算符重载以及析构函数。

1.1 vector的概念

1. vector是表示可变大小数组的序列容器。
2. 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。
3. 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。
4. 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。
5. 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。
6. 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。

二、vector的使用

2.1 vector的定义

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

2.2 vector iterator的使用

iterator的使用	接口说明
begin+end (重点)	获取第一个数据位置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reverse_iterator，获取第一个数据的前一个位置的reverse_iterator

2.3 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 (重点)	改变vector的size
reserve (重点)	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。

// 测试vector的默认扩容机制
void TestVectorExpand()
{
	size_t sz;
	vector<int> v;
	sz = v.capacity();
	cout << "making v grow:\n";
	for (int i = 0; i < 100; ++i)
	{
		v.push_back(i);
		if (sz != v.capacity())
	{
		sz = v.capacity();
		cout << "capacity changed: " << sz << '\n';
		}
	}
}


vs：运行结果：vs下使用的STL基本是按照1.5倍方式扩容
making foo grow:
capacity changed: 1
capacity changed: 2
capacity changed: 3
capacity changed: 4
capacity changed: 6
capacity changed: 9
capacity changed: 13
capacity changed: 19
capacity changed: 28
capacity changed: 42
capacity changed: 63
capacity changed: 94
capacity changed: 141


g++运行结果：linux下使用的STL基本是按照2倍方式扩容
making foo grow:
capacity changed: 1
capacity changed: 2
capacity changed: 4
capacity changed: 8
capacity changed: 16
capacity changed: 32
capacity changed: 64
capacity changed: 128

// 如果已经确定vector中要存储元素大概个数，可以提前将空间设置足够
// 就可以避免边插入边扩容导致效率低下的问题了
void TestVectorExpandOP()
{
	vector<int> v;
	size_t sz = v.capacity();
	v.reserve(100); // 提前将容量设置好，可以避免一遍插入一遍扩容
	cout << "making bar grow:\n";
	for (int i = 0; i < 100; ++i)
	{
		v.push_back(i);
		if (sz != v.capacity())
	{
		sz = v.capacity();
		cout << "capacity changed: " << sz << '\n';
		}
	}
}

2.4 vector的增删改查

vector增删改查	接口说明
push_back (重点)	尾插
pop_back (重点)	尾删
find	查找
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[] （重点）	像数组一样访问

2.5 vector的整体代码实现

2.5.1 vector的常用内置函数使用

#include<vector>
vector<int> v1,v2;
//v2为向量，将v2的0-2个元素赋值给向量v1
v1.assign(v2.begin(),v2.begin()+3);
//v1含有4个值为2的元素
v1.assign(4,2);
//返回v1的最后一个元素
v1.back();
//返回v1的第一个元素
v1.front();
//返回v1的第i元素,当且仅当v1存在
v1[i];
//清空v1中的元素
v1.clear();
//判断v1是否为空，空则返回true，非空则返回false
v1.empty();
//删除v1向量的最后一个元素
v1.pop_back();
//删除v1中第一个（从第0个算起）到第二个元素，也就是说删除的元素从v1.begin()+1算起（包括它）一直到v1.begin()+3（不包括它）结束
v1.erase(v1.begin()+1,v1.begin()+3);
//在v1的最后一个向量后插入一个元素，其值为5
v1.push_back(5);
//在v1的第一个元素（从第0个算起）位置插入数值5,
v1.insert(v1.begin()+1,5);
//在v1的第一个元素（从第0个算起）位置插入3个数，其值都为5
v1.insert(v1.begin()+1,3,5);
//v2为数组，在v1的第一个元素（从第0个元素算起）的位置插入v2的第三个元素到第5个元素（不包括v2+6）
v1.insert(v1.begin()+1,v2+3,v2+6);
//返回v1中元素的个数
v1.size();
//返回v1在内存中总共可以容纳的元素个数
v1.capacity();
//将v1的现有元素个数调整至10个，多则删，少则补，其值随机
v1.resize(10);
//将v1的现有元素个数调整至10个，多则删，少则补，其值为2
v1.resize(10,2);
//将v1的容量扩充至100，
v1.reserve(100);
//v2为向量，将v1中的元素和v2中的元素整体交换
v1.swap(v2);
//v2为向量，向量的比较操作还有 != >= > <= <
v1==v2;

2.5.2 vector的访问方式及测试函数

#define _CRT_SECURE_NO_WARNINGS 1
#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);

	for (size_t i = 0; i < v.size(); ++i)
	{
		cout << v[i] << " ";
	}
	cout << endl;

	vector<int>::iterator it = v.begin();
	while (it != v.end())
	{
		cout << *it << " ";
		++it;
	}
	cout << endl;

	for (auto e : v)
	{
		cout << e << " ";
	}
	cout << endl;

	vector<int> copy(v);

	for (auto e : copy)
	{
		cout << e << " ";
	}
	cout << endl;
}


void test_vector2()
{
	vector<int> v1(10, 1);
	for (auto e : v1)
	{
		cout << e << " ";
	}
	cout << endl;

	vector<int> v2(v1.begin(), v1.end());
	for (auto e : v2)
	{
		cout << e << " ";
	}
	cout << endl;

	string s1("hello world");
	vector<int> v3(s1.begin(), s1.end());
	for (auto e : v3)
	{
		cout << e << " ";
	}
	cout << endl;


	//vector<int>::reverse_iterator rit = v1.rbegin();
	auto rit = v1.rbegin();
	while (rit != v1.rend())
	{
		cout << *rit << " ";
		++rit;
	}
	cout << endl;

	cout << v1.max_size() << endl;
}

void TestVectorExpand()
{
	size_t sz;
	vector<int> v;
	sz = v.capacity();
	cout << "making v grow:\n";
	for (int i = 0; i < 100; ++i)
	{
		v.push_back(i);
		if (sz != v.capacity())
		{
			sz = v.capacity();
			cout << "capacity changed: " << sz << '\n';
		}
	}
}


void test_vector3()
{
	vector<int> v1;
	v1.resize(10, 0);

	vector<int> v2(10, 0);
}


void test_vector4()
{
	vector<int> v;
	v.push_back(1);
	v.push_back(2);
	v.push_back(3);
	v.push_back(4);

	for (auto e : v)
	{
		cout << e << " ";
	}
	cout << endl;

	vector<int>::iterator pos = find(v.begin(), v.end(), 2);
	if (pos != v.end())
	{
		v.insert(pos, 20);
	}

	for (auto e : v)
	{
		cout << e << " ";
	}
	cout << endl;


	pos = find(v.begin(), v.end(), 2);
	if (pos != v.end())
	{
		v.erase(pos);
	}

	for (auto e : v)
	{
		cout << e << " ";
	}
	cout << endl;

}

int main()
{
	//test_vector1();
	//test_vector2();
	//TestVectorExpand();
	//test_vector3();
	test_vector4();

	return 0;
}

三、vector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：

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。

3. 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。

// 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

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，肯定会崩溃的。

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;
	}
}
迭代器失效解决办法：在使用前，对迭代器重新赋值即可。