STL容器之迭代器失效

本文探讨了C++ STL标准库中的多种容器类型,包括vector、deque、list、slist及关联容器等,在进行插入、删除操作时迭代器的有效性问题,并分析了不同容器内部数据结构的特点。

Vector

  1. 内部数据结构:连续存储,例如数组。
  2. 随机访问每个元素,所需要的时间为常量。
  3. 在末尾增加或删除元素所需时间与元素数目无关,在中间或开头增加或删除元素所需时间随元素数目呈线性变化。
  4. 可动态增加或减少元素,内存管理自动完成,但程序员可以使用reserve()成员函数来管理内存。
  5. 迭代器失效

插入:vector的迭代器在内存重新分配时将失效(它所指向的元素在该操作的前后不再相同)。当把超过capacity()-size()个元素插入vector中时,内存会重新分配,所有的迭代器都将失效;

删除:当进行删除操作(erase,pop_back)后,指向删除点及其后元素的迭代器全部失效。

建议:使用vector时,用reserve()成员函数预先分配需要的内存空间,它既可以保护迭代器 。使之不会失效,又可以提高运行效率。

deque

  1. 内部数据结构:连续存储或者分段连续存储,具体依赖于实现,例如数组。
  2. 随机访问每个元素,所需要的时间为常量。
  3. 在开头和末尾增加元素所需时间与元素数目无关,在中间增加或删除元素所需时间随元素数目呈线性变化。
  4. 可动态增加或减少元素,内存管理自动完成,不提供用于内存管理的成员函数。

插入:增加中间元素都将使deque的迭代器失效。在头尾插入元素,可能不会失效。这个与stl的不同实现有关。

删除:在deque的中间删除元素将使迭代器失效。在deque的头或尾删除元素时,只有指向该元素的迭代器失效。

list

  1. 内部数据结构:双向环状链表。
  2. 不能随机访问一个元素。
  3. 可双向遍历。
  4. 在开头、末尾和中间任何地方增加或删除元素所需时间都为常量。
  5. 可动态增加或减少元素,内存管理自动完成。

插入:增加任何元素都不会使迭代器失效。

删除:删除元素时,除了指向当前被删除元素的迭代器外,其它迭代器都不会失效。

slist

  1. 内部数据结构:单向链表。
  2. 不可双向遍历,只能从前到后地遍历。
  3. 其它的特性同list相似。

建议:尽量不要使用slist的insert,erase,previous等操作。因为这些操作需要向前遍历,     但是slist不能直接向前遍历,所以它会从头开始向后搜索,所需时间与位于当前元   素之前的元素个数成正比。slist专门提供了insert_after,erase_after等函数进行优化。         但若经常需要向前遍历,建议选用list。

 

Stack和queue

底层是由deque实现的的。所以迭代器失不失效与deque同。

 

map和set等关联容器

底层是有红黑树实现的,当插入和删除一个元素时,虽然红黑树会做一些调整来保持平衡性,但改变的只是相互间指针互指的关系。元素的地址不发生改变。

所以性质与同为结点型容器的list相同

插入:增加任何元素都不会使迭代器失效。

删除:删除元素时,除了指向当前被删除元素的迭代器外,其它迭代器都不会失效。

 

hash类的容器

插入:可能导致重新分配空间,造成所以的迭代器失效;

删除:删除元素后,hash容器不会回收该空间。所以迭代器还是有效。

 

### C++ STL 容器中的迭代器支持及其使用 #### 支持迭代器容器分类 C++ STL 提供了多种容器,每种容器都支持相应的迭代器类型。这些容器可以分为序列式容器和关联式容器两大类。 - **序列式容器**:`vector`, `deque`, `list`, `forward_list` 序列式容器存储的是有序排列的元素集合,它们通常允许通过索引或位置来访问元素。 - **关联式容器**:`set`, `multiset`, `map`, `multimap`, `unordered_set`, `unordered_multiset`, `unordered_map`, `unordered_multimap` 关联式容器则基于键值对或者唯一性约束组织数据,提供快速查找能力。 所有标准容器均支持某种形式的迭代器以遍历其内部元素[^3]。 --- #### 各容器对应的迭代器类型和支持的操作 | 容器名称 | 迭代器类型 | 常见操作 | |----------------|-------------------------|------------------------------------------------------------------------| | `vector` | 随机访问迭代器 | 解引用 (`*it`)、递增/递减 (`++it`, `--it`)、跳跃访问 (`it += n`) | | `deque` | 随机访问迭代器 | 同上 | | `list` | 双向迭代器 | 解引用 (`*it`)、前后移动 (`++it`, `--it`) | | `forward_list`| 单向迭代器 | 解引用 (`*it`)、向前移动 (`++it`) | | `set/multiset`| 双向迭代器 | 解引用 (`*it`)、前后移动 (`++it`, `--it`) | | `map/multimap`| 双向迭代器 | 解引用 (`*it`)、获取键值对 (`it->first`, `it->second`) | 随机访问迭代器是最强的一种迭代器类型,它除了具备单向和双向迭代器的能力外,还能够执行跳跃式的访问;而单向迭代器仅能从前向后逐一访问元素[^2]。 --- #### 示例代码展示 以下是几个典型容器与其对应迭代器使用的例子: ##### 对于 `vector` ```cpp #include <iostream> #include <vector> using namespace std; int main() { vector<int> v = {1, 2, 3}; // 正向迭代 for(auto it = v.begin(); it != v.end(); ++it){ cout << *it << " "; } cout << endl; // 反向迭代 for(auto rit = v.rbegin(); rit != v.rend(); ++rit){ cout << *rit << " "; } } ``` ##### 对于 `map` ```cpp #include <iostream> #include <map> using namespace std; int main(){ map<string, int> m = {{"apple", 1}, {"banana", 2}}; for(auto mit = m.begin(); mit != m.end(); ++mit){ cout << (*mit).first << ": " << (*mit).second << endl; } } ``` 以上展示了如何分别针对不同类型容器创建并运用相应迭代器完成基本操作[^3]。 --- #### 注意事项——迭代器失效问题 当修改某些容器的内容时可能会导致现有迭代器变得无效。例如,在`vector`上调用`push_back()`可能导致原有迭代器全部失效因为底层数组可能发生重新分配从而改变内存地址[^4][^5]。 为了防止此类错误发生,应尽量避免在循环过程中频繁更改容器状态,尤其是在涉及删除或插入动作较多的情况下更需小心处理。 ---
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