快速或安全的访问std::vector实例的方法, std::vector的插入排序

快速或安全的访问std::vector实例的方法

std::vector可能是STL容器中适用范围最广的，因为其存储数据的方式和数组一样，并且还有相对完善的配套设施。不过，非法访问一个vector实例还是十分危险的。如果一个vector实例具有100个元素，那当我们想要访问索引为123的元素时，程序就会崩溃掉。如果不崩溃，那么你就麻烦了，未定义的行为会导致一系列奇奇怪怪的错误，查都不好查。经验丰富的开发者会在访问前，对索引进行检查。这样的检查其实比较多余，因为很多人不知道std::vector有内置的检查机制。

How to do it…

本节我们将使用两种不同的方式访问一个std::vector实例，并且利用其特性编写更加安全的代码。

1. 先包含相应的头文件，并且用1000个123填满一个vector实例：

#include <iostream>
#include <vector>
using namespace std;
int main()
{
    const size_t container_size{1000};
    vector<int> v(container_size, 123);

2. 我们通过[]操作符访问范围之外的元素：

    cout << "Out of range element value: "
         << v[container_size + 10] << '\n';

3. 之后我们使用at函数访问范围之外的元素：

    cout << "Out of range element value: "
         << v.at(container_size + 10) << '\n';
}

4. 让我们运行程序，看下会发生什么。下面的错误信息是由GCC给出。其他编译器也会通过不同方式给出类似的错误提示。第一种方式得到的结果比较奇怪。超出范围的访问方式并没有让程序崩溃，但是访问到了与123相差很大的数字。第二种方式中，我们看不到打印出来的结果，因为在打印之前程序已经崩溃了。当越界访问发生的时候，我们可以通过异常的方式更早的得知！

Out of range element value: -726629391
terminate called after throwing an instance of 'std::out_of_range'
what(): array::at: __n (which is 1010) >= _Nm (which is 1000)
Aborted (core dumped)

How it works…

std::vector提供了[]操作符和at函数，它们的作用几乎是一样的。at函数会检查给定的索引值是否越界，如果越界则返回一个异常。这对于很多情景都十分适用，不过因为检查越界要花费一些时间，所以at函数会让程序慢一些。

当需要非常快的索引成员时，并能保证索引不越界，我们会使用[]快速访问vector实例。很多情况下，at函数在牺牲一点性能的基础上，有助于发现程序内在的bug。

Note：

默认使用at函数是一个好习惯。当代码的性能很差，但没有bug存在时，可以使用性能更高的操作符来替代at函数。

There’s more…

当然，我们需要处理越界访问，避免整个程序崩溃。为了对越界访问进行处理，我们可以使用截获异常的方式。可以用try代码块将调用at函数的部分包围，并且定义错误处理的catch代码段。

try {
    std::cout << "Out of range element value: "
              << v.at(container_size + 10) << '\n';
} catch (const std::out_of_range &e) {
    std::cout << "Ooops, out of range access detected: "
              << e.what() << '\n';
}

Note:

顺带一提，std::array也提供了at函数。

保持对std::vector实例的排序

array和vector不会对他们所承载的对象进行排序。有时我们去需要排序，但这不代表着我们总是要去切换数据结构，需要排序能够自动完成。在我们的例子有如有一个std::vector实例，将添加元素后的实例依旧保持排序，会是一项十分有用的功能。

How to do it…

本节中我们使用随机单词对std::vector进行填充，然后对它进行排序。并在插入更多的单词的同时，保证vector实例中单词的整体排序。

1. 先包含必要的头文件。

#include <iostream>
#include <vector>
#include <string>
#include <algorithm>
#include <iterator>
#include <cassert>

2. 声明所要使用的命名空间。

using namespace std;

3. 完成主函数，使用一些随机单词填充vector实例。

int main()
{
    vector<string> v {"some", "random", "words",
                      "without", "order", "aaa",
                      "yyy"};

4. 对vector实例进行排序。我们使用一些断言语句和STL中自带的is_sorted函数对是否排序进行检查。

    assert(false == is_sorted(begin(v), end(v)));
    sort(begin(v), end(v));
    assert(true == is_sorted(begin(v), end(v)));

5. 这里我们使用insert_sorted函数添加随机单词到已排序的vector中，这个函数我们会在后面实现。这些新插入的单词应该在正确的位置上，并且vector实例需要保持已排序的状态。

    insert_sorted(v, "foobar");
    insert_sorted(v, "zzz");

6. 现在，我们来实现insert_sorted函数。

void insert_sorted(vector<string> &v, const string &word)
{
    const auto insert_pos (lower_bound(begin(v), end(v), word));
    v.insert(insert_pos, word);
}

7. 回到主函数中，我们将vector实例中的元素进行打印。

    for (const auto &w : v) {
        cout << w << " ";
    }
    cout << '\n';
}    

8. 编译并运行后，我们得到如下已排序的输出。

aaa foobar order random some without words yyy zzz

How it works…

程序整个过程都是围绕insert_sorted展开，这也就是本节所要说明的：对于任意的新字符串，通过计算其所在位置，然后进行插入，从而保证vector整体的排序性。不过，这里我们假设的情况是，在插入之前，vector已经排序。否则，这种方法无法工作。

这里我们使用STL中的lower_bound对新单词进行定位，其可接收三个参数。头两个参数是容器开始和结尾的迭代器。这确定了我们单词vector的范围。第三个参数是一个单词，也就是要被插入的那个。函数将会找到大于或等于第三个参数的首个位置，然后返回指向这个位置的迭代器。

获取了正确的位置，那就使用vector的成员函数insert将对应的单词插入到正确的位置上。

There’s more…

insert_sorted函数很通用。如果需要其适应不同类型的参数，这样改函数就能处理其他容器所承载的类型，甚至是容器的类似，比如std::set、std::deque、std::list等等。(这里需要注意的是成员函数lower_bound与 std::lower_bound等价，不过成员函数的方式会更加高效，因为其只用于对应的数据集合)

template <typename C, typename T>
void insert_sorted(C &v, const T &item)
{
    const auto insert_pos (lower_bound(begin(v), end(v), item));
    v.insert(insert_pos, item);
}

当我们要将std::vector类型转换为其他类型时，需要注意的是并不是所有容器都支持std::sort。该函数所对应的算法需要容器为可随机访问容器，例如std::list就无法进行排序。

#include <iostream>
#include <vector>
#include <deque>
#include <list>
#include <string>
#include <set>
#include <algorithm>
#include <iterator> // for ostream_iterator
#include <cassert>

using namespace std;

template <typename C>
void print_vector(const C &v)
{
    std::cout << "Words: {";
    copy(begin(v), end(v), ostream_iterator<typename C::value_type>(cout, " "));
    std::cout << "}\n";
}

template <typename C, typename T>
void insert_sorted(C &v, const T &word)
{
    const auto it (lower_bound(begin(v), end(v), word));
    v.insert(it, word);
}

int main()
{
    list<string> v {"some", "random", "words", "without", "order", "aaa", "yyy"};

    // assert(false == is_sorted(begin(v), end(v)));

    print_vector(v);

    //sort(begin(v), end(v));

    //assert(true == is_sorted(begin(v), end(v)));

    print_vector(v);

    insert_sorted(v, "foobar");
    insert_sorted(v, "yzz");
    insert_sorted(v, "zzz");

    print_vector(v);
}