【C++】vector类的使用和模拟实现和如何解决迭代器失效的问题_c++ vector 的find()接口在win下能编译过,在linux下编译不过

1.vector的介绍

vector文档介绍

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。

2.vector的使用

学习vector要一定要善于查看：vector文档。vector在实际当中非常重要，这里我们主要熟悉一些常用接口就可以了，下面主要介绍了重点要掌握的接口内容。

2.1 vector的构造

注意：size_type指的是unsigned int，value_type是一个自定义类型，会自动推演成和vector元素一样的类型，InputIterator 指的是迭代器（typedef  T* InputIterator ）T也是自定义类型。

2.2 vector iterator的使用

 vector的迭代器也和string一样支撑范围for遍历

 2.3 vector的空间增长

注意：reserve和size，包括后面的clear函数都不会缩容，因为缩容和扩容一样，要重新开辟新空间，拷贝数据，释放旧空间，而对与自定义类型而言，有可能存在深拷贝问题，时间开销极大。因此，一般情况下，是不会考虑缩容的。

2.3.1 vector的扩容机制

vector的扩容机制和string的一样，他们都是动态增长的数组，VS下大约是1.5倍，Linux g++下是标准的2倍扩容，测试用例如下：

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 << '\n';
 }
 }
}

 

 2.4 vectorc的增删查改

补充：vector的增删查改和string的类似，但不同的是vector没有find接口，包括后面的list也是一样。

3. vector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)。

对于vector可能会导致其迭代器失效的操作有：

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

void test_vector1()
{
     vector<int> v{1,2,3,4,5,6};
    
     auto it = v.begin();
 
     // 将有效元素个数增加到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;
 
 
}

  2. 指定位置元素的删除操作--erase

void test_vector2()
{
    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
}

erase删除pos位置元素后，pos位置之后的元素会往前搬移，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。

3. Linux下，g++编译器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。

void test_vector3()
{
    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，但是linux下不会
 // 虽然可能运行，但是输出的结果是不对的
 while(it != v.end())
 {
 cout << *it << " ";
 ++it;
 }
 cout << endl;
}

vs下的结果：

 Linux下的结果：

 Linux没有提示报错。

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

void TestString()
{
 string s("hello");
 auto it = s.begin();
 // 放开之后代码会崩溃，因为resize到20会string会进行扩容
 // 扩容之后，it指向之前旧空间已经被释放了，该迭代器就失效了
 // 后序打印时，再访问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。

4. vector深度剖析及模拟实现

 以下是我参照vector核心框架，根据自己理解写出的vector模拟实现，如有错误，欢迎大家评论区指正。

namespace my_vector
{
	template<class T>
	class vector
	{
	public:
		typedef T* iterator;
		typedef const T* const_iterator;
    //迭代器begin和end
		iterator begin()
		{
			return _start;
		}
 
		iterator end()
		{
			return _finish;
		}
    //const版本
		const_iterator begin() const
		{
			return _start;
		}
 
		const_iterator end() const
		{
			return _finish;
		}
    //重载operator[]
		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)
		{}
    //传统拷贝构造写法
		// v2(v1)
		/*vector(const vector<T>& v)
			:_start(nullptr)
			, _finish(nullptr)
			, _endofstorage(nullptr)
		{
			reserve(v.capacity());
			for (const auto& e : v)
			{
				push_back(e);
			}
		}*/
 
	    //拷贝构造现代写法
		template <class InputIterator>
		vector(InputIterator first, InputIterator last)
			:_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);
		}
 
		// 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;
		}
    //析构函数
		~vector()
		{
			delete[] _start;
			_start = _finish = _endofstorage = nullptr;
		}
 
		
		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 : 扩容引起，野指针问题
		iterator insert(iterator pos, const T& val)
		{
			assert(pos >= _start);
			assert(pos < _finish);
 
			if (_finish == _endofstorage)
			{
				size_t len = pos - _start;
				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;
	};