【剖析STL】vector

vector的介绍及使用

1.1 vector的介绍

cplusplus.com/reference/vector/vector/

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。

使用STL的三个境界：能用，明理，能扩展 ，那么下面学习vector，我们也是按照这个方法去学习

1.2vector的使用

1.2.1vector的构造函数

**(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

构造一个vector变量，以下情况都是OK的：

vector<int> v1; vector<int> v2(10, 5); // 10个5 vector<int> v3(v2.begin(), v2.end()); vector<int> v4(v2);

1.2.2析构函数

🔥这里的析构函数，一般情况下我们不需要管，因为它会自动调用。

拷贝构造和赋值构造，vector 的拷贝构造和赋值其实就是深拷贝。

这些我们放在 vector 模拟实现的章节里详细探讨。

1.2.3push_back函数

🔥void push_back (const value_type& val);

这实际上会使size增加1，当且仅当新的vector大小超过当前vector的capacity时，才会自动重新分配分配的存储空间。

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

1.2.4各种遍历方法

1.for循环遍历 2.迭代器遍历 3.范围for遍历（本质也是迭代器）

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;

🔥它不止可以用vector的迭代器，只要可以进行类型转换就可以了

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

如果不要第一个和最后一个可以进行++和—

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

反向迭代器

1.2.5 vector 空间增长问题

容量空间	容量空间
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。

我们对vector默认扩容机制进行测试：

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';}}
}

这里size、capacity和empty我就不做详细介绍了，主要介绍一下resize和reserve函数

resize函数：void resize (size_type n, value_type val = value_type());

🔥如果n小于当前容器的大小，内容会缩小到它的前n个元素，并删除后面的元素(并销毁它们)。

如果n大于当前容器的大小，则在容器末尾插入尽可能多的元素以达到n的大小。如果指定val，则新元素被初始化为val的副本，否则对它们进行值初始化。

如果n也大于当前容器容量，则会自动重新分配已分配的存储空间。

🔥注意，这个函数通过插入或删除容器中的元素来改变容器的实际内容。

我们可以用resize直接构造，出了作用域，他们会自己析构

void test_vector4()
{vector<int>v;v.resize(10, 0);vector<int>v2(10, 0);
}

这两种都可以开空间初始化，但是上面这种情况比较好

reserve函数：void reserve (size_type n);

1.2.6pop_back 函数

void pop_back();

删除最后一个元素

1.2.7insert 函数

通过在指定位置的元素之前插入新元素，可以有效地增加容器的大小。

当且仅当新的向量大小超过当前向量容量时，会导致已分配的存储空间自动重新分配。

void test_vector7() {vector<int> v;v.push_back(1);v.push_back(2);v.push_back(3);v.push_back(4);vector<int>::iterator ret = find(v.begin(), v.end(), 3);if (ret != v.end()) {cout << "找到了" << endl;v.insert(ret, 30);         // 在ret位置前面插入一个30}for (auto e : v) cout << e << " "; cout << endl;
}

1.2.8erase函数

iterator erase (iterator position);
iterator erase (iterator first, iterator last);

删除position位置的数据

1.2.9swap 函数

交换两个vector的数据空间

void swap (vector& x);

1.3find函数

1.4 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：

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;
}

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. 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iteratorvector<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
[xiaolu@VM-0-3-centos 20220114]$ vim testVector.cpp
[xiaolu@VM-0-3-centos 20220114]$ g++ testVector.cpp -std=c++11
[xiaolu@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