C++ vector容器

一、vector的介绍及使用

1.1vector的介绍

        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。

1.2vector的使用

1.2.1vector的定义

(constructor)构造函数声明	接口说明
vector()	无参构造
vector（size_type n, const value_type& val = value_type()）	构造并初始化n个val值
vector (const vector& x)	拷贝构造
vector (InputIterator first, InputIterator last)	利用迭代器进行初始化构造

1.2.2vector的使用

iterator的使用	接口说明
begin+end	begin：获取第一个数据位置的iterator/const_iterator。 end：获取最后一个数据的下一个位置的iterator/const_iterator。
rbegin+rend	rbegin：获取最后一个数据位置的reverse_iterator。 rend：获取第一个数据前一个位置的reverse_iterator。

1.2.3vector空间增长

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	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。

1.2.4vector的增删查改

vector增删查改	接口说明
push_back	尾插
pop_back	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[]	像数组一样访问

1.2.5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)。

二、vector的模拟实现

#pragma once

#include <iostream>
using namespace std;
#include <assert.h>

// 注意这里namespace大家下去就不要取名为bit了，否则被面试官看到问bit是啥就尴尬了
namespace vec
{
	template<class T>
	class vector
	{
	public:
		// Vector的迭代器是一个原生指针
		typedef T* iterator;
		typedef const T* const_iterator;

		///
		// 构造和销毁
		vector()
			: _start(nullptr)
			, _finish(nullptr)
			, _endOfStorage(nullptr)
		{}

		vector(size_t n, const T& value = T())
			: _start(nullptr)
			, _finish(nullptr)
			, _endOfStorage(nullptr)
		{
			reserve(n);
			while (n--)
			{
				push_back(value);
			}
		}

		/*
		* 理论上将，提供了vector(size_t n, const T& value = T())之后
		* vector(int n, const T& value = T())就不需要提供了，但是对于：
		* vector<int> v(10, 5);
		* 编译器在编译时，认为T已经被实例化为int，而10和5编译器会默认其为int类型
		* 就不会走vector(size_t n, const T& value = T())这个构造方法，
		* 最终选择的是：vector(InputIterator first, InputIterator last)
		* 因为编译器觉得区间构造两个参数类型一致，因此编译器就会将InputIterator实例化为int
		* 但是10和5根本不是一个区间，编译时就报错了
		* 故需要增加该构造方法
		*/
		vector(int n, const T& value = T())
			: _start(new T[n])
			, _finish(_start+n)
			, _endOfStorage(_finish)
		{
			for (int i = 0; i < n; ++i)
			{
				_start[i] = value;
			}
		}

		// 若使用iterator做迭代器，会导致初始化的迭代器区间[first,last)只能是vector的迭代器
		// 重新声明迭代器，迭代器区间[first,last)可以是任意容器的迭代器
		template<class InputIterator>
		vector(InputIterator first, InputIterator last)
		{
			while (first != last)
			{
				push_back(*first);
				++first;
			}
		}

		vector(const vector<T>& v)
			: _start(nullptr)
			, _finish(nullptr)
			, _endOfStorage(nullptr)
		{
			reserve(v.capacity());
			iterator it = begin();
			const_iterator vit = v.cbegin();
			while (vit != v.cend())
			{
				*it++ = *vit++;
			}
			_finish = it;
		}

		vector<T>& operator=(vector<T> v)
		{
			swap(v);
			return *this;
		}

		~vector()
		{
			if (_start)
			{
				delete[] _start;
				_start = _finish = _endOfStorage = nullptr;
			}
		}

		/
		// 迭代器相关
		iterator begin()
		{
			return _start;
		}

		iterator end()
		{
			return _finish;
		}

		const_iterator cbegin() const
		{
			return _start;
		}

		const_iterator cend() const
		{
			return _finish;
		}

		//
		// 容量相关
		size_t size() const 
		{ 
			return _finish - _start; 
		}

		size_t capacity() const 
		{ 
			return _endOfStorage - _start; 
		}

		bool empty() const 
		{ 
			return _start == _finish; 
		}

		void reserve(size_t n)
		{
			if (n > capacity())
			{
				size_t oldSize = size();
				// 1. 开辟新空间
				T* tmp = new T[n];

				// 2. 拷贝元素
		        // 这里直接使用memcpy会有问题吗？同学们思考下
		        //if (_start)
		        //	memcpy(tmp, _start, sizeof(T)*size);

				if (_start)
				{
					for (size_t i = 0; i < oldSize; ++i)
						tmp[i] = _start[i];

					// 3. 释放旧空间
					delete[] _start;
				}

				_start = tmp;
				_finish = _start + oldSize;
				_endOfStorage = _start + n;
			}
		}

		void resize(size_t n, const T& value = T())
		{
			// 1.如果n小于当前的size，则数据个数缩小到n
			if (n <= size())
			{
				_finish = _start + n;
				return;
			}

			// 2.空间不够则增容
			if (n > capacity())
				reserve(n);

			// 3.将size扩大到n
			iterator it = _finish;
			_finish = _start + n;
			while (it != _finish)
			{
				*it = value;
				++it;
			}
		}

		///
		// 元素访问
		T& operator[](size_t pos) 
		{ 
			assert(pos < size());
			return _start[pos]; 
		}

		const T& operator[](size_t pos)const 
		{ 
			assert(pos < size());
			return _start[pos]; 
		}

		T& front()
		{
			return *_start;
		}

		const T& front()const
		{
			return *_start;
		}

		T& back()
		{
			return *(_finish - 1);
		}

		const T& back()const
		{
			return *(_finish - 1);
		}
		/
		// vector的修改操作
		void push_back(const T& x) 
		{ 
			insert(end(), x); 
		}

		void pop_back() 
		{ 
			erase(end() - 1); 
		}

		void swap(vector<T>& v)
		{
			std::swap(_start, v._start);
			std::swap(_finish, v._finish);
			std::swap(_endOfStorage, v._endOfStorage);
		}

		iterator insert(iterator pos, const T& x)
		{
			assert(pos <= _finish);

			// 空间不够先进行增容
			if (_finish == _endOfStorage)
			{
				//size_t size = size();
				size_t newCapacity = (0 == capacity()) ? 1 : capacity() * 2;
				reserve(newCapacity);

				// 如果发生了增容，需要重置pos
				pos = _start + size();
			}

			iterator end = _finish - 1;
			while (end >= pos)
			{
				*(end + 1) = *end;
				--end;
			}

			*pos = x;
			++_finish;
			return pos;
		}

		// 返回删除数据的下一个数据
		// 方便解决:一边遍历一边删除的迭代器失效问题
		iterator erase(iterator pos)
		{
			// 挪动数据进行删除
			iterator begin = pos + 1;
			while (begin != _finish) {
				*(begin - 1) = *begin;
				++begin;
			}

			--_finish;
			return pos;
		}
	private:
		iterator _start;		// 指向数据块的开始
		iterator _finish;		// 指向有效数据的尾
		iterator _endOfStorage;  // 指向存储容量的尾
	};
}

/// /
/// 对模拟实现的vector进行严格测试
void TestBitVector1()
{
	bit::vector<int> v1;
	bit::vector<int> v2(10, 5);

	int array[] = { 1,2,3,4,5 };
	bit::vector<int> v3(array, array+sizeof(array)/sizeof(array[0]));

	bit::vector<int> v4(v3);

	for (size_t i = 0; i < v2.size(); ++i)
	{
		cout << v2[i] << " ";
	}
	cout << endl;

	auto it = v3.begin();
	while (it != v3.end())
	{
		cout << *it << " ";
		++it;
	}
	cout << endl;

	for (auto e : v4)
	{
		cout << e << " ";
	}
	cout << endl;
}

void TestBitVector2()
{
	vec::vector<int> v;
	v.push_back(1);
	v.push_back(2);
	v.push_back(3);
	v.push_back(4);
	v.push_back(5);
	cout << v.size() << endl;
	cout << v.capacity() << endl;
	cout << v.front() << endl;
	cout << v.back() << endl;
	cout << v[0] << endl;
	for (auto e : v)
	{
		cout << e << " ";
	}
	cout << endl;

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

	v.insert(v.begin(), 0);
	for (auto e : v)
	{
		cout << e << " ";
	}
	cout << endl;

	v.erase(v.begin() + 1);
	for (auto e : v)
	{
		cout << e << " ";
	}
	cout << endl;
}