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C++初阶:vector类

C++初阶:vector类

vector的介绍及使用

vector(顺序表)的介绍

vector - C++ 参考 (cplusplus.com)

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 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

vector的使用

vector学习时一定要学会查看文档, vector 在实际中非常的重要,在实际中我们熟悉常 见的接口就可以,下面列出了 哪些接口是要重点掌握的
大多接口的用法与上一篇讲的 C++初阶:string类-CSDN博客 类似。
  1. void test_vector1()
  2. {
  3. /*vector<int> v;
  4. v.push_back(1);
  5. v.push_back(2);
  6. v.push_back(3);
  7. v.push_back(4);*/
  8. vector<int> v1;
  9. vector<int> v(10, 1);
  10. vector<int> x(v);
  11. for (size_t i = 0; i < v.size(); i++)
  12. {
  13. cout << v[i] << " ";
  14. }
  15. cout << endl;
  16. for (size_t i = 0; i < x.size(); i++)
  17. {
  18. cout << x[i] << " ";
  19. }
  20. cout << endl;
  21. vector<int>::iterator it = v.begin();
  22. while (it != v.end())
  23. {
  24. cout << *it << " ";
  25. ++it;
  26. }
  27. cout << endl;
  28. for (auto e : v)
  29. {
  30. cout << e << " ";
  31. }
  32. cout << endl;
  33. }

Capacity:

vector 空间增长问题:
capacity 的代码在 vs g++ 下分别运行会发现, vs 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 PJ 版本 STL g++ 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
// 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 << '\n';
        }
    }
}
vs:运行结果:vs下使用的STL基本是按照1.5倍方式扩容
making foo grow :
capacity changed : 1
capacity changed : 2
capacity changed : 3
capacity changed : 4
capacity changed : 6
capacity changed : 9
capacity changed : 13
capacity changed : 19
capacity changed : 28
capacity changed : 42
capacity changed : 63
capacity changed : 94
capacity changed : 141
g++运行结果:linux下使用的STL基本是按照2倍方式扩容
making foo grow :
capacity changed : 1
capacity changed : 2
capacity changed : 4
capacity changed : 8
capacity changed : 16
capacity changed : 32
capacity changed : 64
capacity changed : 128

// 如果已经确定vector中要存储元素大概个数,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,可以避免一遍插入一遍扩容
    cout << "making bar 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';
        }
    }
}

  1. void test_vector2()
  2. {
  3. size_t sz;
  4. vector<int> v;
  5. v.reserve(100);
  6. sz = v.capacity();
  7. cout << "making v grow:\n";
  8. for (int i = 0; i < 100; ++i)
  9. {
  10. v.push_back(i);
  11. if (sz != v.capacity())
  12. {
  13. sz = v.capacity();
  14. cout << "capacity changed: " << sz << '\n';
  15. }
  16. }
  17. cout << v.size() << endl;
  18. cout << v.capacity() << endl;
  19. v.reserve(10);
  20. cout << v.size() << endl;
  21. cout << v.capacity() << endl;
  22. cout << "--------------" << endl;
  23. cout << v.size() << endl;
  24. cout << v.capacity() << endl;
  25. v.resize(10);
  26. cout << v.size() << endl;
  27. cout << v.capacity() << endl;
  28. cout << "--------------" << endl;
  29. v.shrink_to_fit();
  30. cout << v.size() << endl;
  31. cout << v.capacity() << endl;
  32. vector<int> a;
  33. a.resize(10, 1);
  34. for (auto e : a)
  35. {
  36. cout << e << " ";
  37. }
  38. cout << endl;
  39. }

vector类中没有find函数,需要调用算法库(#include<algorithm>)中的find函数

vector::insert - C++ 参考 (cplusplus.com)  跟string类中的insert有些不同;不通过下标插入,用迭代器

  1. void test_vector3()
  2. {
  3. vector<int> v;
  4. v.push_back(1);
  5. v.push_back(2);
  6. v.push_back(3);
  7. v.push_back(4);
  8. v.push_back(5);
  9. for (auto e : v)
  10. {
  11. cout << e << " ";
  12. }
  13. cout << endl;
  14. //vector<int>::iterator pos = find(v.begin(), v.end(), 3);
  15. auto pos = find(v.begin(), v.end(), 3);//没找到返回v.end()
  16. if (pos != v.end())
  17. {
  18. v.insert(pos, 30);
  19. }
  20. // 头插
  21. v.insert(v.begin(), 0);
  22. for (auto e : v)
  23. {
  24. cout << e << " ";
  25. }
  26. cout << endl;
  27. v.insert(v.begin() + 2, 0);
  28. for (auto e : v)
  29. {
  30. cout << e << " ";
  31. }
  32. cout << endl;
  33. string s("abcd");
  34. v.insert(v.begin(), s.begin(), s.end());
  35. for (auto e : v)
  36. {
  37. cout << e << " ";
  38. }
  39. cout << endl;
  40. }

对象数组:

  1. void test_vector()
  2. {
  3. // 对象数组
  4. vector<string> v;
  5. string s1("苹果");
  6. v.push_back(s1);
  7. v.push_back(string("香蕉"));
  8. v.push_back("草莓");
  9. vector<vector<int>> vv;//二维数组
  10. }

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 ,造成的后果是程序崩溃 ( 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。
  1. #include <iostream>
  2. using namespace std;
  3. #include <vector>
  4. int main()
  5. {
  6. vector<int> v{1,2,3,4,5,6};
  7. auto it = v.begin();
  8. // 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
  9. // v.resize(100, 8);
  10. // 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
  11. // v.reserve(100);
  12. // 插入元素期间,可能会引起扩容,而导致原空间被释放
  13. // v.insert(v.begin(), 0);
  14. // v.push_back(8);
  15. // 给vector重新赋值,可能会引起底层容量改变
  16. v.assign(100, 8);
  17. /*
  18. 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,
  19. 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
  20. 空间,而引起代码运行时崩溃。
  21. 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
  22. 赋值即可。
  23. */
  24. while(it != v.end())
  25. {
  26. cout<< *it << " " ;
  27. ++it;
  28. }
  29. cout<<endl;
  30. return 0;
  31. }

2. 指定位置元素的删除操作--erase

  1. #include <iostream>
  2. using namespace std;
  3. #include <vector>
  4. int main()
  5. {
  6. int a[] = { 1, 2, 3, 4 };
  7. vector<int> v(a, a + sizeof(a) / sizeof(int));
  8. // 使用find查找3所在位置的iterator
  9. vector<int>::iterator pos = find(v.begin(), v.end(), 3);
  10. // 删除pos位置的数据,导致pos迭代器失效。
  11. v.erase(pos);
  12. cout << *pos << endl; // 此处会导致非法访问
  13. return 0;
  14. }
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。
以下代码的功能是删除 vector 中所有的偶数,而第二个代码是正确的

#include <iostream>
using namespace std;
#include <vector>
int main()
{
    vector<int> v{ 1, 2, 3, 4 };
    auto it = v.begin();
    while (it != v.end())  //导致it错过判断条件,永远大于v.end()
    {
        if (*it % 2 == 0)
            v.erase(it);
        ++it;
    }

    return 0;
}


int main()
{
    vector<int> v{ 1, 2, 3, 4 };
    auto it = v.begin();
    while (it != v.end())
    {
        if (*it % 2 == 0)
            it = v.erase(it);
        else
            ++it;
    }
    return 0;
}

3.注意: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。

// 1. 扩容之后,迭代器已经失效了,程序虽然可以运行,但是运行结果已经不对了
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,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;
    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;
}
========================================================
// 使用第一组数据时,程序可以运行
[sly@VM - 0 - 3 - centos 20220114]$ g++ testVector.cpp - std = c++11
[sly@VM - 0 - 3 - centos 20220114]$ . / a.out
1 3 5
======================================================== =
// 使用第二组数据时,程序最终会崩溃
[sly@VM - 0 - 3 - centos 20220114]$ vim testVector.cpp
[sly@VM - 0 - 3 - centos 20220114]$ g++ testVector.cpp - std = c++11
[sly@VM - 0 - 3 - centos 20220114]$ . / a.out
Segmentation fault

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 end 范围内,肯定会崩溃的。

4.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。

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