C++学习笔记——vector

ajole

639人浏览 · 2026-01-15 17:05:25

ajole · 2026-01-15 17:05:25 发布

vector

1. vector的使用

以下接口需要重点掌握

1.1 vector的定义

(constructor)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

1.2 vector iterator的使用

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iterator/const_iterator，获取第一个数据的前一个位置的iterator/const_iterator

在这里插入图片描述

1.3 vector空间增长问题&增删查改

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下是按1.5倍增长的，在g++下是按两倍增长的。
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。
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;
	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 << endl;
		}
	}
}

// 如果已经确定vector中要存储元素的大概个数，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 TestVectorExpandOP()
{
    vector<int> v;
    size_t sz = v.capacity();
    v.reserve(100);		// 提前将容量设置好
    cout << "making bar grow:" << endl;
    for (int i = 0; i < 100; ++i)
    {
        v.push_back(i);
        if (size != v.capacity())
        {
			sz = v.capacity();
            cout << "capacity changed: " << sz << endl;
        }
	}
}

vector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）	允许vector像数组一样访问

1.4 vector迭代器失效问题（重点）

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，造成的后果就是程序崩溃。

对于vector可能会导致其迭代器失效的操作有：

会引起其底层空间改变的操作，都有可能使迭代器失效，比如：resize、reserve、insert、assign、push_back等

#include <iostream>
#include <vector>

using namespace std;

int main()
{
    vector<int> v{1,2,3,4,5,6};
    auto it = v.begin();
    // 将有效元素增加到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;
}

指定位置元素的删除操作——erase
```
#include <iostream>
#include <vector>

using namespace std;

int main()
{
	int a[] = {1,2,3,4};
    vector<int> v(a, a + sizeof(a) / sizeof(int));
    
    // 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; // 此处会导致非法访问
    return 0;
}
```
erase删除pos位置元素后，pos位置之后的元素会往前移，没有导致底层空间的改变，理论上讲迭代器不应该会失效，但是：如果pos刚好是最后一个元素，删完之后pos刚好是end的位置，而end位置是没有元素的，那么pos就失效了，因此删除vector中任意位置上元素时，vs就认为该位置迭代器失效了

在Linux下，g++对迭代器失效的检测并不是非常严格，处理也没有vs下极端

int main()
{
    vector<int> v{1,2,3,4,5};
    for (size_t i = 0; i < v.size(); ++i)
        cout << v[i] << " ";
    cout << endl;
    
    auto it = v.begin();
    cout << "扩容之前，vector的容量为：" << v.capacity() << endl;
    // 通过reserve将底层空间设置为100，目的是为了让vector的迭代器失效
    v.reserve(100);
    cout << "扩容之后，vector的容量为：" << v.capacity() << endl;
    
    // 经过上述reserve之后，it迭代器肯定会失效，在vs下程序就直接崩溃了，到那时Linux下不会
    // 虽然可能运行，但输出的结果是不对的
    while(it != v.end())
    {
		cout << *it << " ";
        ++it;
    }
    cout << endl;
    return 0;
}

程序输出：
1 2 3 4 5
扩容之前，vector的容量为: 5
扩容之后，vector的容量为: 100
0 2 3 4 5 409 1 2 3 4 5

// 2. erase删除任意位置代码后，linux下迭代器并没有失效
// 因为空间还是原来的空间，后序元素往前搬移了，it的位置还是有效的
#include <vector>
#include <algorithm>
    
int main()
{
    vector<int> v{1,2,3,4,5};
    vector<int>::iterator it = find(v.begin(), v.end(), 3);
    v.erase(it);
    cout << *it << endl;
    while(it != v.end())
    {
		cout << *it << " ";
        ++it;
    }
    cout << endl;
    return 0;
}

程序可以正常运行，并打印：
4
4 5

// 3: erase删除的迭代器如果是最后一个元素，删除之后it已经超过end
// 此时迭代器是无效的，++it导致程序崩溃
int main()
{
    vector<int> v{1,2,3,4,5};
    // vector<int> v{1,2,3,4,5,6};
    auto it = v.begin();
    while(it != v.end())
    {
        if (*it % 2 == 0)
            v.erase(it);
        ++it;
	}
    for(auto e : v)
        cout << e << " ";
    cout << endl;
    return 0;
}
// 上面的代码使用第一组数据时，程序可以运行，使用第二组数据时，程序最终会崩溃

从上述三个例子中可以看到：SGI STL中，迭代器失效后，代码并不一定会崩溃，但是运行结果肯定不对，如果it不在begin和end范围内，肯定会崩溃的。

与vector类似，string在插入+扩容操作+erase之后，迭代器也会失效

#include <string>
void TestString()
{
    string s("hello");
    auto it = s.begin();
    
    // 放开之后代码会崩溃，因为resize到20，string会进行扩容
    // 扩容之后，it指向之前的旧空间已经被释放了，该迭代器就失效了
    // 后续打印时，在访问it指向的空间程序就会崩溃
    // s.resize(20, '!');
    while(it != s.end())
    {
        cout << *it;
        ++it;
	}
    cout << endl;
    
    it = s.begin();
    while(it != s.end())
    {
        it = s.erase(it);
        // 按照下面的方式写，运行时程序会崩溃，因为erase(it)之后
        // it位置的迭代器就失效了
        // s.erase(it);
        ++it
	}
}

迭代器失效解决办法：在使用前，对迭代器重新赋值即可

2. vector深度剖析

2.1 使用memcpy拷贝问题

假设模拟实现的vector中的reserve接口中，使用memcpy进行拷贝，以下代码会发生什么问题？

int main()
{
	vector<string> v;
	v.push_back("1111");
	v.push_back("2222");
	v.push_back("3333");
	return 0;
}

问题分析：

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
如果拷贝的是自定义类型的元素，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

所以涉及到资源管理时，最好不要用memcpy进行拷贝

2.2 vector模拟实现

#include <iostream>

namespace MySTL
{
	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;
		iterator begin() { return _start; }
		iterator end() { return _finish; }
		const_iterator cbegin() { return _start; }
		const_iterator cend() const { return _finish; }

		// construct and destroy
		vector() {
			// 默认构造函数，初始化为空
			_start = nullptr;
			_finish = nullptr;
			_endOfStorage = nullptr;
		}
		vector(int n, const T& value = T()) {
			// 初始化一个指定大小的vector，所有元素都初始化为value
			_start = new T[n];
			_finish = _start + n;
			_endOfStorage = _start + n;
			for (int i = 0; i < n; ++i) {
				_start[i] = value;
			}
		}
		template<class InputIterator>
		vector(InputIterator first, InputIterator last) {
			// 使用迭代器范围初始化vector
			size_t n = last - first; // 计算范围大小
			_start = new T[n];
			_finish = _start + n;
			_endOfStorage = _start + n;
			for (size_t i = 0; i < n; ++i) {
				_start[i] = *(first + i); // 拷贝元素
			}
		}
		vector(const vector<T>& v) {
			// 拷贝构造函数
			size_t n = v.size();
			_start = new T[n];
			_finish = _start + n;
			_endOfStorage = _start + n;
			for (size_t i = 0; i < n; ++i) {
				_start[i] = v._start[i]; // 拷贝元素
			}
		}
		vector<T>& operator= (vector<T> v) {
			// 赋值操作符，使用拷贝交换的方式
			if (this != &v) {
				// 先释放当前内存
				delete[] _start;
				// 然后交换数据
				_start = v._start;
				_finish = v._finish;
				_endOfStorage = v._endOfStorage;
				// 清空v的指针，避免析构时释放内存
				v._start = nullptr;
				v._finish = nullptr;
				v._endOfStorage = nullptr;
			}
			return *this;
		}
		~vector() {
			// 释放内存
			if (_start) {
				delete[] _start;
			}
		}
		// capacity
		size_t size() const { return _finish - _start; }
		size_t capacity() const { return _endOfStorage - _start; }
		void reserve(size_t n) {
			if (n > capacity()) {
				// 重新分配内存
				iterator newStart = new T[n];
				// 将原有数据拷贝到新内存中
				for (size_t i = 0; i < size(); ++i) {
					newStart[i] = std::move(_start[i]);
				}
				// 更新指针
				delete[] _start;
				_start = newStart;
				_finish = _start + size();
				_endOfStorage = _start + n;
			}
		}
		void resize(size_t n, const T& value = T()) {
			if (n < size()) {
				// 如果新大小小于当前大小，直接截断
				_finish = _start + n;
			}
			else if (n > size()) {
				// 如果新大小大于当前大小，扩展并填充新元素
				reserve(n);
				for (size_t i = size(); i < n; ++i) {
					_start[i] = value;
				}
				_finish = _start + n;
			}
		}
        
		///////////////access///////////////////////////////
		T& operator[](size_t pos) {
			if (pos >= size()) {
				throw std::out_of_range("Index out of range");
			}
			return _start[pos];
		}
		const T& operator[](size_t pos)const {
			if (pos >= size()) {
				throw std::out_of_range("Index out of range");
			}
			return _start[pos];
		}

		///////////////modify/////////////////////////////
		void push_back(const T& x) {
			if (_finish == _endOfStorage) {
				// 如果没有足够的空间，先扩展容量
				size_t newCapacity = capacity() ? capacity() * 2 : 1;
				reserve(newCapacity);
			}
			*_finish++ = x;
		}
		void pop_back() {
			if (_finish == _start) {
				throw std::out_of_range("Cannot pop from an empty vector");
			}
			--_finish;
		}
		void swap(vector<T>& v) {
			// 交换两个vector的内容
			std::swap(_start, v._start);
			std::swap(_finish, v._finish);
			std::swap(_endOfStorage, v._endOfStorage);
		}
		iterator insert(iterator pos, const T& x) {
			if (pos < _start || pos > _finish) {
				throw std::out_of_range("Iterator out of range");
			}
			if (_finish == _endOfStorage) {
				// 如果没有足够的空间，先扩展容量
				size_t newCapacity = capacity() ? capacity() * 2 : 1;
				reserve(newCapacity);
			}
			// 将插入位置之后的元素向后移动一位
			for (iterator it = _finish; it > pos; --it) {
				*(it) = *(it - 1);
			}
			*pos = x; // 插入新元素
			++_finish; // 更新有效数据的尾
			return pos;
		}
		iterator erase(iterator pos) {
			if (pos < _start || pos >= _finish) {
				throw std::out_of_range("Iterator out of range");
			}
			// 将删除位置之后的元素向前移动一位
			for (iterator it = pos; it < _finish - 1; ++it) {
				*it = *(it + 1);
			}
			--_finish; // 更新有效数据的尾
			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
	};
}

int main() {

	return 0;
}