📖 前言:本期介绍vector类。
目录
- 🕒 1. vector的介绍
- 🕒 2. vector的使用
- 🕘 2.1 定义
- 🕘 2.2 iterator
- 🕘 2.3 空间增长
- 🕘 2.4 增删查改
 
- 🕒 2. vector的模拟实现
- 🕘 2.1 构造函数
- 🕤 2.1.1 无参构造
- 🕤 2.1.2 拷贝构造
- 🕤 2.1.3 构造并初始化n个val
 
- 🕘 2.2 iterator
- 🕘 2.3 空间增长
- 🕘 2.4 增删查改
- 🕤 2.4.1 insert
- 🕤 2.4.2 erase
- 🕤 2.4.3 swap
 
- 🕘 2.5 其他
 
- 🕒 3. 深拷贝问题
- 🕘 3.1 vector<vector< int >>
- 🕘 3.2 vector< string >
 
- 🕒 4. 模拟实现vector汇总
🕒 1. vector的介绍
- vector是表示可变大小数组的序列容器(可以理解为顺序表)。
- 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。
- 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。
- 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。
- 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。
🕒 2. vector的使用
🔎 vector文档介绍
 对于vector内部的成员函数,基本上和string相同,因此本文章在模拟实现之前只介绍大多使用函数的函数名以及功能,具体细节会在模拟实现中解释。
🕘 2.1 定义
| 构造函数声明 | 接口说明 | 
|---|---|
| vector()(重点) | 无参构造 | 
| vector(size_type n, const value_type& val = value_type()) | 构造并初始化n个val | 
| vector (const vector& x)(重点) | 拷贝构造 | 
| vector (InputIterator first, InputIterator last); | 使用迭代器进行初始化构造 | 
🕘 2.2 iterator
| iterator的使用 | 接口说明 | 
|---|---|
| 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 | 

 这里会出现迭代器失效问题,如图我们发现迭代器可以看成指向某一数据的指针(实际上不一定是指针),但如果出现了扩容的情况(统一看成异地扩容)那么这个迭代器指向的位置就不再是我们想要进行操作的位置,这就是典型的迭代器失效问题,也就是野指针问题。具体介绍将会在下面的模拟实现中进行解释。
🕘 2.3 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(重点) | 改变vector的size | 
| reserve (重点) | 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。
- 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(即可以直接将扩容一次性到位)。如果比当前容量小时,不缩容,因为缩容有代价,以空间换时间。
- 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 TestVectorExpand()
{
	size_t sz;
	vector<int> v;
	v.reserve(100);
	sz = v.capacity();
	cout << "making v grow:\n";
	for (int i = 0; i < 100; ++i)
	{
		v.push_back(i);
		if (sz != v.capacity())
		{
			sz = v.capacity();
			cout << "capacity changed: " << sz << '\n';
		}
	}
}
🕘 2.4 增删查改
| 增删查改 | 接口说明 | 
|---|---|
| push_back(重点) | 尾插 | 
| pop_back (重点) | 尾删 | 
| find | 查找(注意这个是算法模块实现,不是vector的成员接口) | 
| 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[] (重点) | 像数组一样访问 | 
🕒 2. vector的模拟实现
首先定义一个vector类:
template<class T>
class vector
{
public:
    typedef T* iterator;
    typedef const T* const_iterator;
    
    T& operator[](size_t pos)
    {
        assert(pos < size());
        return _start[pos];
    }
    const T& operator[](size_t pos) const
    {
        assert(pos < size());
        return _start[pos];
    }
    
private: 
    iterator _start; // 0
    iterator _finish; // size
    iterator _endofstorage; // capacity
};
🕘 2.1 构造函数
🕤 2.1.1 无参构造
vector()
    :_start(nullptr)
        ,_finish(nullptr)
        ,_endofstorage(nullptr)
    {}
🕤 2.1.2 拷贝构造
对于拷贝构造有两种写法:
- 传统写法:开空间、赋值
- 现代写法:通过迭代器的初始化构造
//传统写法 v2(v1)
    vector(const vector<T>& v)
    :_start(nullptr)
        , _finish(nullptr)
        , _endofstorage(nullptr)
    {
        reserve(v.capacity());
        for (const auto& e : v) // 必须&, 否则会拷贝构造调用拷贝构造,因为如果每一个元素(T)也都是vector,这就会导致拷贝构造调用拷贝构造
        {
            push_back(e);
        }
    }
// 现代写法
template <class InputIterator>
vector(InputIterator first, InputIterator last) // 迭代器初始化
    :_start(nullptr)
    , _finish(nullptr)
    , _endofstorage(nullptr)
{
    while (first != last)
    {
        push_back(*first);
        ++first;
    }
}
vector(const vector<T>& v)
    :_start(nullptr)
    , _finish(nullptr)
    , _endofstorage(nullptr)
{
    vector<T> tmp(v.begin(), v.end());
    swap(tmp); // this和tmp进行swap
}
🕤 2.1.3 构造并初始化n个val
vector(size_t n, const T& val = T())
    :_start(nullptr)
    , _finish(nullptr)
    , _endofstorage(nullptr)
{
    reserve(n);
    for(size_t i = 0; i < n; i++)
    {
        push_back(val);
    }
}
在测试的时候仅仅这样是会出错的,调试也印证了重载函数不会走上面函数,而是会走迭代器。原因为n是size_t而不是int类型,调用此函数就会发生隐式类型转换,编译器觉得不合适,便寻找更好的选择,于是找到了迭代器。解决方案就是再重载一个函数:vector(int n, const T& val = T())。为什么不直接将上一个函数的size_t改成int类型呢?因为我们是在模拟实现库中的vector。
🕘 2.2 iterator
iterator begin()
{
    return _start;
}
iterator end()
{
    return _finish;
}
const_iterator begin() const
{
    return _start;
}
const_iterator end() const
{
    return _finish;
}
🕘 2.3 空间增长
size_t size() const 
{
    return _finish - _start;
}
size_t capacity() const
{
    return _endofstorage - _start;
}
bool empty() const
{
    return _finish == _start;
}
void resize(size_t n, T val = T())//这里的val是缺省
{
    if (n > capacity())
    {
        reserve(n);
    }
    if (n > size())
    {
        while (_finish < _start + n)
        {
            *_finish = val;
            ++_finish;
        }
    }
    else
    {
        _finish = _start + n;
    }
}
void reserve(size_t n) // 注意迭代器失效问题
{
    if (n > capacity())
    {
        size_t oldSize = size();
        T* tmp = new T[n];
        if (_start)
        {
            memcpy(tmp, _start, sizeof(T) * size());
            delete[] _start;
        }
        _start = tmp;
        _finish = tmp + oldSize;
        _endofstorage = _start + n;
    }
}
上面的reserve提到了迭代器失效问题,代码中已解决,即oldSize记录了size()的大小。那如果不记录size()的大小,那么_finish = tmp + size()中的size()由于之前的空间被销毁,也会被置为0,,此时的_finish就与_start就相同。
🕘 2.4 增删查改
这里需要注意迭代器失效问题,迭代器失效与扩容机制息息相关,而增删查改会频繁的调用扩容机制。
首先介绍不涉及迭代器失效的问题的成员函数:
void push_back(const T& x)
{
    if (_finish == _endofstorage)
    {
        size_t newCapacity = capacity() == 0 ? 4 : capacity() * 2;
        reserve(newCapacity);
    }
    *_finish = x;
    ++_finish;
}
void pop_back()
{
    assert(!empty());
    --_finish;
}
下面看看需要考虑迭代器失效问题的成员函数
🕤 2.4.1 insert
// 迭代器失效问题:异地扩容导致的野指针问题
iterator insert(iterator pos, const T& val) // 不传引用是因为有左值的影响:常量,即v.begin()
{
    assert(pos >= _start);
    assert(pos < _finish);
    if (_finish == _endofstorage)
    {
        size_t len = pos - _start; // 处理失效问题,记录相对位置
        size_t newCapacity = capacity() == 0 ? 4 : capacity() * 2;
        reserve(newCapacity);
        //扩容导致pos迭代器失效,需要更新处理一下
        pos = _start + len;
    }
    //挪动数据
    iterator end = _finish - 1;
    while (end >= pos)
    {
        *(end + 1) = *end;
        end--;
    }
    *pos = val;
    ++_finish;
    return pos;
}
对于前插,是一定要考虑扩容问题的,而我们实现的方式也只有异地扩容,因此当我们触发了扩容机制后,就会引起迭代器失效的问题:
为了处理这个迭代器失效的问题,我们提前记录pos与_start的相对位置,即通过len = pos - _start记录,最后更新pos = _start + len,就可以解决这里迭代器失效的问题。
虽然函数内部的迭代器失效问题解决了,但我们知道,在这个函数中的pos只是外部pos的一份临时拷贝,改变这里的pos外部的pos并不会改变,因此外部的pos也会由于异地扩容之后导致野指针,那么我们可以采用返回值更新pos。
🕤 2.4.2 erase
iterator erase(iterator pos)
{
    assert(pos >= _start && pos < _finish);
    iterator begin = pos + 1;
    while (begin < _finish)
    {
        *(begin-1) = *begin;
        ++begin;
    }
    --_finish;
    return pos;
}
🕤 2.4.3 swap
void swap(vector<T>& v)
{
    std::swap(_start, v._start);
    std::swap(_finish, v._finish);
    std::swap(_endofstorage, v._endofstorage);
}
🕘 2.5 其他
~vector()//析构
{
    delete[] _start;
    _start = _finish = _endofstorage = nullptr;
}
// v1 = v2
// v1 = v1;  // 极少数情况,能保证正确性,所以这里就这样写没什么问题
vector<T>& operator=(vector<T> v) // 由于直接swap,因此不能传引用
{
    swap(v);
    return *this;
}
void clear()
{
    _finish = _start; // 不能置空,会发现内存泄漏
}
🕒 3. 深拷贝问题
🕘 3.1 vector<vector< int >>

 我们用上面模拟实现的代码进行观察
void test_vectorarray()
{
    vector<vector<int>> vv;
    vector<int> v(5, 1);
    vv.push_back(v);
    vv.push_back(v);
    vv.push_back(v);
    vv.push_back(v);
    for (size_t i = 0; i < vv.size(); i++)
    {
        for (size_t j = 0; j < vv[i].size(); j++)
        {
            cout << vv[i][j] << " ";
        }
        cout << endl;
    }
    cout << endl;
}

可以看到,插入四行是没问题的,那再插入一行(加上一个vv.push_back(v);)会怎么样呢

 很明显,扩容出了问题,根据经验,大概率是异地扩容后出现了浅拷贝问题,即我们异地扩容产生的变量的指向仍然是之前指向的位置,并且由于异地扩容之后,会delete[]原空间,这就导致异地扩容的指向也变成了野指针。

 当我们到了第五个push_back,也就是需要扩容的时候,我们发现:tmp与原本_start的位置指向的是同一个位置(注意外部的_start与内部的第一个_start指向的位置是一样的),这是由于memcpy引起的,而我们知道,memcpy所引起的异地扩容会释放旧空间,即释放旧位置所指向的位置,但这一释放,就导致了新开辟的tmp内部的指针变量指向的空间也被释放了。
既然浅拷贝的memcpy不行,那我们就可以通过赋值的方式在拷贝中开辟新空间,进行深拷贝:
void reserve(size_t n)
		{
			if (n > capacity())
			{
				size_t oldSize = size();
				T* tmp = new T[n];
				if (_start)
				{
					//memcpy(tmp, _start, sizeof(T)*oldSize);
					for (size_t i = 0; i < oldSize; ++i)
					{
						tmp[i] = _start[i];
					}
					delete[] _start;
				}
				_start = tmp;
				_finish = tmp + oldSize;
				_endofstorage = _start + n;
			}
		}
即将reserve中的memcpy换成如图所示的方式,这样赋值拷贝会开辟新空间(上面的代码中就是开辟了新空间),我们就可以避免浅拷贝的问题。
 
 因此我们也需要注意: 在C++中要避免使用C语言中的函数:memcpy、realloc、malloc等
🕘 3.2 vector< string >
事实上,string与vector<int>的道理是相同的,如果我们仍然用memcpy,会发现在需要扩容的过程中仍然出现浅拷贝造成的错误,用赋值就没有问题。由此可以理解,自定义类型的情况下都会发生这种扩容出现的问题,而内置类型并不会发生。
void test_vectorstring()
{
    vector<string> v;
    v.push_back("1111111111111");
    v.push_back("1111111111111");
    v.push_back("1111111111111");
    v.push_back("1111111111111");
    v.push_back("1111111111111"); // 扩容
    for (size_t i = 0; i < v.size(); i++)
    {
        for (size_t j = 0; j < v[i].size(); j++)
        {
            cout << v[i][j] << " ";
        }
        cout << endl;
    }
    cout << endl;
}
🕒 4. 模拟实现vector汇总
//myvector.h
#pragma once
namespace myvector
{
	template<class T>
	class vector
	{
	public:
		typedef T* iterator;
		typedef const T* const_iterator;
		iterator begin()
		{
			return _start;
		}
		iterator end()
		{
			return _finish;
		}
		const_iterator begin() const
		{
			return _start;
		}
		const_iterator end() const
		{
			return _finish;
		}
		T& operator[](size_t pos)
		{
			assert(pos < size());
			return _start[pos];
		}
		const T& operator[](size_t pos) const
		{
			assert(pos < size());
			return _start[pos];
		}
		vector()
			:_start(nullptr)
			, _finish(nullptr)
			, _endofstorage(nullptr)
		{}
		//传统写法 v2(v1)
		//vector(const vector<T>& v)
		//	:_start(nullptr)
		//	, _finish(nullptr)
		//	, _endofstorage(nullptr)
		//{
		//	reserve(v.capacity());
		//	for (const auto& e : v) // 必须&, 否则会拷贝构造调用拷贝构造,因为如果每一个元素(T)也都是vector,这就会导致拷贝构造调用拷贝构造
		//	{
		//		push_back(e);
		//	}
		//}
		vector(int n, const T& val = T())
			:_start(nullptr)
			, _finish(nullptr)
			, _endofstorage(nullptr)
		{
			reserve(n);
			for (int i = 0; i < n; ++i)
			{
				push_back(val);
			}
		}
		vector(size_t n, const T& val = T())
			:_start(nullptr)
			, _finish(nullptr)
			, _endofstorage(nullptr)
		{
			reserve(n);
			for (size_t i = 0; i < n; ++i)
			{
				push_back(val);
			}
		}
		// 现代写法
		template <class InputIterator>
		vector(InputIterator first, InputIterator last) // 迭代器初始化
			:_start(nullptr)
			, _finish(nullptr)
			, _endofstorage(nullptr)
		{
			while (first != last)
			{
				push_back(*first);
				++first;
			}
		}
		vector(const vector<T>& v)
			:_start(nullptr)
			, _finish(nullptr)
			, _endofstorage(nullptr)
		{
			vector<T> tmp(v.begin(), v.end());
			swap(tmp); // this和tmp进行swap
		}
		~vector()
		{
			delete[] _start;
			_start = _finish = _endofstorage = nullptr;
		}
		// v1 = v2
		// v1 = v1;  // 极少数情况,能保证正确性,所以这里就这样写没什么问题
		vector<T>& operator=(vector<T> v)
		{
			swap(v);
			return *this;
		}
		
		void reserve(size_t n)
		{
			if (n > capacity())
			{
				size_t oldSize = size();
				T* tmp = new T[n];
				if (_start)
				{
					//memcpy(tmp, _start, sizeof(T)*oldSize);
					for (size_t i = 0; i < oldSize; ++i)
					{
						tmp[i] = _start[i];
					}
					delete[] _start;
				}
				_start = tmp;
				_finish = tmp + oldSize;
				_endofstorage = _start + n;
			}
		}
		void resize(size_t n, T val = T())
		{
			if (n > capacity())
			{
				reserve(n);
			}
			if (n > size())
			{
				while (_finish < _start + n)
				{
					*_finish = val;
					++_finish;
				}
			}
			else
			{
				_finish = _start + n;
			}
		}
		bool empty() const
		{
			return _finish == _start;
		}
		size_t size() const
		{
			return _finish - _start;
		}
		size_t capacity() const
		{
			return _endofstorage - _start;
		}
		void push_back(const T& x)
		{
			if (_finish == _endofstorage)
			{
				size_t newCapacity = capacity() == 0 ? 4 : capacity() * 2;
				reserve(newCapacity);
			}
			*_finish = x;
			++_finish;
		}
		void pop_back()
		{
			assert(!empty());
			--_finish;
		}
		// 迭代器失效问题:异地扩容导致的野指针问题
		iterator insert(iterator pos, const T& val) // 不传引用是因为有左值的影响:常量,即v.begin()
		{
			assert(pos >= _start);
			assert(pos < _finish);
			if (_finish == _endofstorage)
			{
				size_t len = pos - _start;// 处理失效问题,记录相对位置
				size_t newCapacity = capacity() == 0 ? 4 : capacity() * 2;
				reserve(newCapacity);
				// 扩容会导致pos迭代器失效,需要更新处理一下
				pos = _start + len;
			}
			// 挪动数据
			iterator end = _finish - 1;
			while (end >= pos)
			{
				*(end + 1) = *end;
				--end;
			}
			*pos = val;
			++_finish;
			return pos;
		}
		iterator erase(iterator pos)
		{
			assert(pos >= _start);
			assert(pos < _finish);
			iterator begin = pos + 1;
			while (begin < _finish)
			{
				*(begin - 1) = *(begin);
				++begin;
			}
			--_finish;
			return pos;
		}
		void swap(vector<T>& v)
		{
			std::swap(_start, v._start);
			std::swap(_finish, v._finish);
			std::swap(_endofstorage, v._endofstorage);
		}
		void clear()
		{
			_finish = _start;
		}
	private:
		iterator _start;
		iterator _finish;
		iterator _endofstorage;
	};
}
OK,以上就是本期知识点“vector类”的知识啦~~ ,感谢友友们的阅读。后续还会继续更新,欢迎持续关注哟📌~
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作者:HinsCoder
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