一、vector的介绍
- vector 是一种序列容器，表示可变大小的数组。
- 就像数组一样，它使用连续的存储空间来存储元素，支持高效的下标访问。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，所以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：为了避免频繁的内存重新分配，vector 会预留额外的空间以适应可能的增长。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 ，那么下面学习vector，我们也是按照这个方法去学习
二、vector的使用
1. 构造
| 构造函数声明(constructor) | 功能说明 |
|---|---|
| vector() | 【default】无参构造 |
| vector（size_type n, const value_type& val = value_type()） | 【fill】构造并初始化填充n个val |
| vector (const vector& x); | 【copy】拷贝构造 |
| vector (InputIterator first, InputIterator last); | 【range】使用迭代器进行初始化构造 |
void text_vector1()
{
vector<int> v1; //无参构造
vector<int> v2(4, 100); //用四个值为100的元素 构造
vector<int> v3(v2.begin(), v2.end()); //迭代器区间构造
vector<int> v4(v3); //拷贝构造
// 下面涉及迭代器初始化的部分，我们学习完迭代器再来看这部分
int myints[] = { 16,2,77,29 };
vector<int> fifth(myints, myints + sizeof(myints) / sizeof(int));
cout << "The contents of fifth are:";
}
2. 迭代器
| iterator的使用 | 功能说明 |
|---|---|
| begin + end（重点） | 获取第一个数据位置的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的reverse_iterator，获取第一个数据前一个位置的reverse_iterator |
3. vector 空间增长问题
| 容量空间 | 功能说明 |
|---|---|
| size | 获取数据个数 |
| capacity | 获取容量大小 |
| empty | 判断是否为空 |
| resize | 改变vector的size |
| reserve | 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 text_expand()
{
size_t size;
vector<int> v;
size = v.capacity();
cout << "making v grow:\n";
for (int i = 0; i < 100; ++i)
{
v.push_back(i);
if (size != v.capacity())
{
size = v.capacity();
cout << "capacity changed: " << size << '\n';
}
}
}
VS2022 运行结果：
g++ 运行结果：
// 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 text_expandOP()
{
vector<int> v;
size_t size = 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 (size != v.capacity())
{
size = v.capacity();
cout << "capacity changed: " << size << '\n';
}
}
}
4. 增删查改
| vector增删查改 | 功能说明 |
|---|---|
| push_back | 尾插 |
| pop_back | 尾删 |
| find | 查找。（注意vector本身没有实现find，这里属于STL算法模块的通用接口） |
| insert | 在指定位 之前插入元素 |
| erase | 删除指定位 的数据 |
| swap | 交换两个vector的数据空间 |
| operator[] | 下标访问 |
// vector遍历方式
void text_vector2()
{
vector<int> v1{ 1, 2, 3, 4 };
// 通过[]读写第0个位置。
v1[0] = 10;
cout << v1[0] << endl;
// 1. 使用for+[]小标方式遍历
for (size_t i = 0; i < v1.size(); ++i)
cout << v1[i] << " ";
cout << endl;
vector<int> v2;
v2.swap(v1);
cout << "v data:";
for (size_t i = 0; i < v1.size(); ++i)
cout << v1[i] << " ";
cout << endl;
// 2. 使用迭代器遍历
cout << "v2 data:";
auto it = v2.begin();
while (it != v2.end())
{
cout << *it << " ";
++it;
}
// 3. 使用范围for遍历
for (auto e : v1)
cout << e << " ";
cout << endl;
}
5. vector 迭代器失效问题
- 迭代器是一种通用的容器访问方式，其底层可能用原生指针实现，也可能是对指针进行了封装（设计者想达成其他附加效果）但它的最终效果可以像原生指针一样使用，对于使用者来说其底层细节不重要。 程序员是这样的，只要改bug就行了，而用户要考虑的就很多了。
- 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，类似于野指针
- 解决方法：在使用前，对迭代器重新赋值即可。
5.1 底层空间改变（扩容、缩容）
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;
}
5.2 指定位置元素的删除操作
int main()
{
vector<int> v = { 1, 2, 3, 4 };
// 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; //此处报错
return 0;
}
如上图所示，我们删除元素3所在位置的迭代器，由于挪动覆盖，原先的pos迭代器指向的空间理论上没有发生变化且仍然有效，那迭代器为什么会失效呢？
- erase可能引发缩容（不同平台做法不同）
- 为尾删时，尾删后pos越界
=> 基于以上原因，在VS平台下，只要使用了erase，就认为迭代器失效了，会强制检查报错。
- 如下代码的功能是删除vector中所有的偶数，第一组逻辑上可以走通，但是VS强制检查报错，第二组正常运行
#include <iostream>
using namespace std;
#include <vector>
int main1()
{
vector<int> v{ 1, 2, 3, 4 };
auto it = v.begin();
while (it != v.end())
{
if (*it % 2 == 0)
v.erase(it);
else
++it;
}
return 0;
}
int main()
{
vector<int> v{ 1, 2, 3, 4 };
auto it = v.begin();
while (it != v.end())
{
if (*it % 2 == 0)
it = v.erase(it);// erase返回值为 删除位置的下一个位置的迭代器，手动更新迭代器
else
++it;
}
return 0;
}
5.3 Linux与VS平台差异
int main1()
{
vector<int> v{ 1, 2, 3, 4 };
auto it = v.begin();
while (it != v.end())
{
if (*it % 2 == 0)
v.erase(it);
else
++it;
}
return 0;
}
5.2 中我们说到这一组代码逻辑上正确，但是VS会强制检查报错，那在Linux下是否能够运行呢？答案是可以的，Linux下SGI STL中并不会对迭代器失效进行强制检查，但是我们仍然不建议使用失效的迭代器，这是一种不可控的操作行为，在不同的平台下运行结果是未知的。
三、vector 模拟实现
0. 整体框架
template<class T>
class vector
{
public:
typedef T* iterator;
typedef const T* const_iterator;
//... 各类接口
private:
iterator _start = nullptr;
iterator _finish = nullptr; // _finish指向最后一个元素的下一个位置
iterator _end_of_storage = nullptr; // _end_of_storage 指向当前容量的下一个位置
};
1. 构造 / 析构 / 拷贝构造 / 赋值重载
1.1 迭代器区间初始化
// 类模板的成员函数如果需要使用其他模板，可以再写成
// 函数模板 -> 可以支持任意容器的迭代器区间初始化
template <class InputIterator>
vector(InputIterator first, InputIterator last)
{
while (first != last)
{
push_back(*first);
++first;
}
}
1.2 n个val构造
vector(size_t n, const T& val = T()) //注释1
{
reserve(n);
for (size_t i = 0; i < n; i++)
{
push_back(val);
}
}
//重载一个int参数类型的n个val构造（STL库中做法）
vector(int n, const T& val = T())
{
reserve(n);
for (size_t i = 0; i < n; i++)
{
push_back(val);
}
}
缺省值使用匿名对象（调用对应类型的无参构造，初始化为各自类型的合理初值）
如果传入的是内置类型呢？
c++对内置类型进行了升级，可以支持内置类型构造
模板调用冲突问题
尝试使用一下，构造10个1
vector<int> v(10, 1); 发现编译器报错（ VS2022 ）我们明明想使用n个val构造，怎么调用到模板去了？
这里涉及到参数匹配的优先级： 完全匹配 > 模板替换后匹配 > 隐式类型转换后匹配
=> ( 模板，模板 )
=> ( size_t , int )由于n个val构造我们的个数n使用的是size_t类型，传入的int需要经过隐式类型转换才可以转为size_t，根据参数匹配优先级，自然匹配到模板了。
如何解决？
- 用户手动控制
vector<int> v(10u, 1); //使用u后缀标识为无符号整数，则传入size_t类型，完美匹配n个val的参数- 重载一个int参数类型的n个val构造（STL库中做法）
1.3 析构
~vector()
{
delete[] _start;
_start = _finish = _end_of_storage = nullptr;
}
1.4 拷贝构造
//v2(v1)
vector(const vector<T>& v)
{
reserve(v.capacity());
for (auto& e : v)
{
push_back(e);
}
}
1.5 赋值重载
// 现代写法 s1 = s2
vector<T>& operator=(vector<T> tmp) //拷贝构造tmp(s2)
{
swap(tmp); // 交换 tmp和s1
return *this;
}
2. 增 删 查 改
2.1 迭代器
typedef T* iterator;
typedef const T* const_iterator;
const_iterator begin() const
{
return _start;
}
const_iterator end() const
{
return _finish;
}
iterator begin()
{
return _start;
}
iterator end()
{
return _finish;
}
2.2 size / capacity / [ ]
size_t capacity()
{
return _end_of_storage - _start;
}
size_t size()
{
return _finish - _start;
}
T& operator[](size_t i)
{
return _start[i];
}
2.3 reserve
void reserve(size_t n)
{
if (n > capacity())
{
size_t oldsize = size(); //记录旧size
T* tmp = new T[n];
if (_start)
{
//memcpy(tmp, _start, sizeof(T) * size());
for (size_t i = 0; i < oldsize; i++)
{
tmp[i] = _start[i];
}
delete[] _start;
}
_start = tmp;
// _finish = _start + size(); 注释1
_finish = _start + oldsize;
_end_of_storage = _start + n;
}
}
size() 是通过 _finish - _start得到的，如果先更新了_start，而_finsih并没有更新，相当于用旧_finish - 新_start，结果出错
先更新_finish：
- 不建议，可读性差，给别人用的话万一调换了顺序就出错了
事先计算并存储oldsize：
- 本质上要求的是相对位置，size值并未发生改变，可以事先计算
memcpy浅拷贝问题
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
如果拷贝的是内置类型的元素，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。
解决方法：手动逐一拷贝（深拷贝）
2.4 insert / push_back
iterator insert(iterator pos, const T& x)
{
//0. 检查参数合法性
assert(pos >= _start); //至少头插
assert(pos <= _finish); //至多尾插
//1. 扩容，更新迭代器
if (_finish == _end_of_storage)
{
size_t len = pos - _start; //指针+-运算，计算pos和_start的相对距离
size_t newcapacity = capacity() == 0 ? 4 : capacity() * 2;
reserve(newcapacity);
pos = _start + len; //更新失效的迭代器pos（内部失效）
}
//2. 向后移动数据，留出空间
iterator end = _finish - 1;
while (end >= pos)
{
*(end + 1) = *end;
--end;
}
//3. 插入，更新数据
*pos = x;
++_finish;
return pos;
}
void push_back(const T& x)
{
insert(end(), x);
}
思路：
- 检查
- 扩容，并更新迭代器
- 移动腾空间
- 插入，更新
2.5 erase / pop_back
void erase(iterator pos)
{
//0. 检查
assert(pos >= _start);
assert(pos < _finish);
//1. 向前移动覆盖，相当于删除
iterator it = pos + 1;
while (it != _finish)
{
*(it - 1) = *it;
++it;
}
//2. 更新数据
--_finish;
}
void pop_back()
{
assert(size() > 0);
--_finish;
//erase(end()-1);
}
思路：
- 检查
- 移动覆盖
- 更新
四、OJ中的使用
1. 只出现一次的数字
class Solution {
public:
int singleNumber(vector<int>& nums) {
int value = 0;
for(auto& e : nums)
{
value ^= e; //位运算知识
}
return value;
}
};
2. 杨辉三角
class Solution {
public:
vector<vector<int>> generate(int numRows) {
//1. 开空间并初始化（动态二维数组）
vector<vector<int>> vv;
vv.resize(numRows); //开辟行数
for(size_t i = 0; i < numRows; i++)
{
//每行第一个和最后一个初始化为1,其余初始化为0
vv[i].resize(i+1, 0);//开辟每一列并初始化
vv[i][0] = vv[i][vv[i].size() - 1] = 1;
}
//2. 遍历二维数组找0
for(size_t i = 0; i < vv.size(); i++)
{
for(size_t j = 0; j < vv[i].size(); j++)
{
if(vv[i][j] == 0)
{
//为0的部分 = 上一行的对应位 + 上一行对应位的前一位
vv[i][j] = vv[i-1][j] + vv[i-1][j-1];
}
}
}
return vv;
}
};
思路：
开辟动态二维数组并初始化
- 每一行的第一位和最后一位初始化为1，其余初始化为0（ resize：开空间 + 初始化）
遍历二维数组找0
- 为0的部分 = 上一行的对应位 + 上一行对应位的前一位
2.5 动态二维数组的理解
行数和列数独立存在，且动态变化，不再像C语言中的二维数组那样方方正正。下图一为物理模型图，像C语言中二维数组在内存中其实是由一维数组横向拼接而成，下图二为逻辑模型，符合我们对二维数组的描述和使用逻辑。
总结
本文介绍了vector的常用接口，并对其中重点接口进行了模拟实现，以便读者了解其底层逻辑，有利于更好地使用。
尽管文章修正了多次，但由于水平有限，难免有不足甚至错误之处，敬请各位读者来评论区批评指正。
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