C++八股 —— vector底层

1. 底层原理

底层为动态数组

1.1. 类构成

• class vector : protected _Vector_base
• _Vector_base:
  • _M_start：容器元素开始的位置
  • _M_finish：容器元素结束的位置
  • _M_end_of_storage：动态内存最后一个元素的下一个位置

1.2. 构造函数

• 无参构造

  根据性能优先规则，没有申请动态内存。

  只有三个指针，64为系统下，vector的默认大小为：$8\times 3=24$字节。

• 初始化元素个数的构造

  申请了动态内存，避免多次申请影响性能。其元素存储时在堆上的

1.3. 扩容机制

当size == capacity时，下一次插入会引发扩容。

扩容过程为：

• 先分配新的空间

  • VS是1.5倍扩容，gcc是2倍扩容

    为什么会有1.5倍扩容，2倍有什么问题？

    • 空间浪费较高

    • 扩容时无法复用已经释放的内存

      

    2倍扩容的优点：

    • 扩容次数相较更少

      

    • 元素拷贝开销更低

      

  • 扩容用的是malloc，分配器对内存的分配和对象的构建进行了分离，对象的构建采用placement new机制（placement new不分配新内存，而是通过调用构造函数在用户指定的已分配内存上初始化对象。这一机制将内存分配与对象构造过程分离。‌‌）

• 将原有空间的数据移动到新的空间中

  涉及拷贝构造、赋值操作符重载；如果对象支持移动语义，则涉及移动拷贝构造，移动赋值操作符重载。

  • 怎么避免扩容带来的移动代价：

    在能预测元素个数的情况下预分配空间。

  • vector存放对象好还是指针好，各自有什么优缺点：

    • 存储对象：缺点是复制和赋值开销大，优点是对象的生命周期统一由vector管理；
    • 存储指针：优点是复制和赋值开销小，缺点是需要处理指针和对象的什么周期。

• 最后释放旧空间

1.4. 迭代器失效

迭代器失效指的是在容器被修改后，某些迭代器可能不再指向容器中的有效元素。这可能会导致未定义行为，包括程序崩溃或数据损坏。

• 扩容会引起迭代器失效

  insert、emplace、push_back、emplace_back

• 元素移动会引起迭代器失效

  erase、emplace、insert

2. 相关操作

插入元素

先检查空间，不够则申请内存翻倍

• 插入到最后
• 插入到非最后：待插入位置之后的元素往后移一位，然后插入

删除元素

删除元素不会释放已申请的内存

• 删除最后：_M_finish往前移动一位
• 删除非最后：待删除位置之后的元素往前移一位，然后执行“删除最后”操作

读取元素

返回的是具体元素的引用

• 操作符[]
• at()：比[]多一步越界检查操作

修改元素

• 不支持直接修改某个位置的元素
• 通过读取元素，获取引用，然后修改
• 先删除后插入

释放空间

• swap一个空容器
• C++ 11：shrink_to_fit 将容器的空间收缩到容器大小。先clear()将容器清空（不会释放空间），然后收缩空间大小

参考：【C++面试题】vector底层实现原理_哔哩哔哩_bilibili

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fill和assign

1. std::fill（算法库函数）

   • 功能：将指定范围内的元素逐个赋值为给定值。

   • 语法：

     #include <algorithm>
     std::fill(iterator begin, iterator end, value);
     

   • 行为

     • 遍历 [begin, end) 范围内的元素，将每个元素赋值为 value。
     • 不改变容器大小，仅修改已有元素的值。

   • 适用容器：所有支持迭代器的容器（如 vector, array, deque, 原生数组等）。

   • 优点：

     • 高效：直接覆盖现有元素，无需重新分配内存。
     • 灵活性：可局部修改（例如只修改某一部分元素）。

   • 缺点：需要确保目标范围有效（例如不越界）。

示例：

std::vector<int> vec = {1, 2, 3, 4};
std::fill(vec.begin(), vec.end(), 0); // vec → {0, 0, 0, 0}
std::fill(vec.begin() + 1, vec.end() - 1, 5); // vec → {0, 5, 5, 0}

2. assign（容器成员函数）

   • 功能：替换容器的内容，可以指定新元素的数量和值，或从其他容器/迭代器复制数据。

   • 语法：

     // 用 n 个 value 替换容器内容
     container.assign(n, value);
     
     // 用迭代器范围 [begin, end) 替换容器内容
     container.assign(begin, end);
     

   • 行为：

     • 销毁原有元素，重新分配内存（可能触发内存重新申请）。
     • 新内容可以是重复值或来自其他容器。

   • 适用容器：支持动态修改的序列容器（如 vector, deque, list, string）。

   • 优点：

     • 简洁性：一行代码即可替换整个容器的内容。
     • 灵活性：支持从不同数据源（如另一个容器或初始化列表）赋值。

   • 缺点：

     • 潜在性能开销：若新内容大小与原有内容不同，可能触发内存重分配。
     • 数据丢失：原有内容被完全覆盖。

示例：

std::vector<int> vec = {1, 2, 3, 4};
vec.assign(3, 10);       // vec → {10, 10, 10}（大小变为 3）
vec.assign({5, 6, 7});   // vec → {5, 6, 7}（用初始化列表替换）

3. 关键区别

特性	std::fill	assign
作用范围	修改指定范围内的已有元素	替换整个容器的内容
内存操作	不改变容器大小，无内存分配	可能触发内存重新分配
性能	高效（直接覆盖）	可能低效（若大小变化）
适用场景	局部修改或保持容器大小不变时	需要完全替换内容或调整大小时
代码简洁性	需要显式指定范围	一行代码替换全部内容

4. 如何选择

• 使用 std::fill 当：
  • 需要保留容器原有结构（如大小不变）。
  • 仅需修改部分或全部元素的值（例如重置为默认值）。
  • 避免内存重分配（对性能敏感的场景）。
• 使用 assign 当：
  • 需要完全替换容器内容（例如用新数据覆盖旧数据）。
  • 需要调整容器大小（例如从 n 个元素变为 m 个元素）。
  • 从其他容器或初始化列表快速赋值。