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2.1std::vector的核心框架接口的模拟实现rzy::vector
1.vector的介绍及使用
1.1vector的介绍
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。也就是意味着卡伊采用下标对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。当新元素插入的时候,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存储的空间更大。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.与其他动态序列容器相比(deques,lists and forward_lists),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。对于其他不在末尾的删除和插入操作、效率更低。比起lists和forward_lists统一的迭代器和引用更好。
学习方法:使用STL的三个境界:能用,明理,能扩展;
1.2vector的使用
vector学习时候一般学会查看文档,vector在实际中非常的重要,在实际中我们数字常见的接口就可以,下面列出的是要重点掌握的。
1.2.1vector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 |
int main()
{
//constructor used in the same order as described above:
std::vector<int>first;//empty vector of ints
std::vector<int>second(4,100);//4 ints with value 100
std::vector<int>third(second.begin(), second.end());//iterating through second
std::vector<int>fourth(third);//a copy of third
//下面涉及迭代器初始化的部分,学完迭代器再来看
//the iterator constructor can also be used to construct from arrays
int myints[] = { 1, 3, 5, 8 };
std::vector<int>fifth(myints, myints + sizeof(myints) / sizeof(int));
std::cout << "the contents of fifth are:";
for (std::vector<int>::iterator it = fifth.begin(); it != fifth.end();++it)
{
std::cout << " " << *it;
}
std::cout << endl;
return 0;
}
1.2.2vector 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reverse_iterator,获取第一个数据前一个位置reverse_iterator |
#include<iostream>
#include<vector>
using namespace std;
void PrintVector(const vector<int>& v)
{
//const对象使用const迭代器进行遍历打印
vector<int>::const_iterator it = v.begin();
while (it!=v.end())
{
cout << *it << " ";
++it;
}
cout << endl;
}
int main()
{
//使用push_back插入4个数据
vector<int>v;
v.push_back(1);
v.push_back(2);
v.push_back(3);
v.push_back(4);
//使用迭代器进行遍历打印
vector<int>::iterator it = v.begin();
while (it!=v.end())
{
cout << *it << " ";
++it;
}
cout << endl;
//使用迭代器进行修改
it = v.begin();
while (it!=v.end())
{
*it *= 2;
++it;
}
cout << endl;
//使用反向迭代器进行遍历再打印
vector<int>::reverse_iterator rit = v.rbegin();
while (rit!=v.rend())
{
cout << *rit << " ";
++rit;
}
cout << endl;
PrintVector(v);
return 0;
}
1.2.3vector空间增长问题
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放入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。这个问题经常经常会考察,不要固化的认为顺序表增容都是按2倍,具体增长多少是根据具体的需求定义的。vs是PJ版本STL,g++是SGI版本STL;
- reserve只是负责开辟空间的同时还会进行初始化,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
1.2.4vector的增删查改
vector增删查改 | 接口说明 |
push_back(重点) | 尾插 |
pop_back(重点) | 尾删 |
find | 查找(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pos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 |
//push_back/pop_back
#include<iostream>
#include<vector>
int main()
{
int a[] = { 1, 2, 3, 4 };
vector<int>v(a, a + sizeof(a) / sizeof(int));
vector<int>::iterator it = v.begin();
while (it!=v.end())
{
cout << *it << " ";
++it;
}
cout << endl;
v.pop_back();
v.pop_back();
it = v.begin();
while (it!=v.end())
{
cout << *it << " ";
++it;
}
cout << endl;
return 0;
}
//find/insert/erase
#include<algorithm>
#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);
//在pos位置前插入30
v.insert(pos, 30);
vector<int>::iterator it = v.begin();
while (it!=v.end())
{
cout << *it << " ";
++it;
}
cout << endl;
pos = find(v.begin(), v.end(), 3);
//删除pos位置的数据
v.erase(pos);
it = v.begin();
while (it!=v.end())
{
cout << *it << " ";
++it;
}
return 0;
}
#include<iostream>
#include<vector>
using namespace std;
int main()
{
int a[] = { 1, 2, 3, 4 };
vector<int>v(a, a + sizeof(a) / sizeof(int));
//通过[]读写第0个位置
v[0] = 10;
cout << v[0] << endl;
//通过[i]的方式遍历vector
for (size_t i = 0; i < v.size();++i)
{
cout << v[i] << " ";
}
cout << endl;
vector<int>swapv;
swapv.swap(v);//v有数据,swapv没数据
//现在交换了之后swapv有数据,v没有
cout << "v data:";
for (size_t i = 0; i < v.size();++i)
{
cout << v[i] << " ";
}
cout << endl;
cout << "swapv data:";
for (size_t i = 0; i < swapv.size();++i)
{
cout << swapv[i] << " ";
}
cout << endl;
//c++11支持的新式范围for
v.swap(swapv);
for (auto x:v)
{
cout << x << " ";
}
cout << endl;
return 0;
}
1.2.5vector迭代器时效问题(重点)
迭代器的主要作用就是让算法能够不关心底层数据结构,其底层实际就是个指针,或者对指针进行了封装,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);
/*下面代码会出错;出错原因:以上操作都有可能会导致vector扩容,也就是说
vector底层原理就空间被释放调,而在打印时,it还是用的是释放之前的旧空间,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;
return 0;
}
2.指定位置元素的删除操作
//2.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消失,但是:如果pos刚好是最后一个元素,删除完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,请问哪个代码是正确的?为什么?
#include<iostream>
#include<vector>
using namespace std;
/*int main()
{
vector<int>v{ 1, 2, 3, 4 };
auto it = v.begin();
while (it!=v.end())
{
if (*it%2==0)
{
v.erase(it);
}
++it;//it位置已经删掉了,失效了再++会报错
}
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;
}
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的深度剖析及模拟实现
2.1std::vector的核心框架接口的模拟实现rzy::vector
//std::vector的核心框架接口的模拟实现rzy::vector
namespace rzy
{
template<class T>
class vector
{
public:
//vector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()const
{
return _start;
}
const_iterator cend()const
{
return _finish;
}
//construct and destroy
vector()
:_start(nullptr)
, _finish(nullptr)
, _endOfStorage(nullptr)
{}
vector(int n, int const T& value = T())//vector(3,8)fill
:_start(nullptr)
, _finish(nullptr)
, _endOfStorage(nullptr)
{
reserve(n);
while (n--)
{
push_back(value);
}
}
//若使用iterator做迭代器,会导致初始化的迭代器区间(first,last)只能是vector的迭代器,
//重新声明迭代器,迭代器区间(first,last)可以是任意容器的迭代器
template<class InputIterator>
vector(InputIterator first,InputIterator last)
{
reserve(last - first);
while (first!=last)
{
push_back(*first);
++first;
}
}
vector(const vector<T>&v)
:_start(nullptr)
, _finish(nullptr)
, _endOfStorage(nullptr)
{
reserve(v.capacity());
iterator it = begin();
const_iterator vit = v.cbegin();
while (vit!=v.cend())
{
*it++ = *vit++;
}
}
vector<T>&operator=(vector<T>v)//赋值
{
swap(v);
return *this;
}
~vector()
{
delete[]_start;
_start = _finish = _endOfStorage = nullptr;
}
//capacity
size_t size()const
{
return _finish - _start;
}
size_t capacity()const
{
return _endOfStorage - _start;
}
bool empty()const
{
return _first == _finish;
}
void reverse(size_t n)
{
if (n>capacity())
{
size_t oldSize = size();
T*tmp = new T[n];
//这里直接使用memcpy?
//if(_start)
//memcpy(tmp,_start,sizeof(T)*size)
if (_start)
{
for (size_t i = 0; i < oldSize;++i)
{
tmp[i] = _start[i];
}
}
_start = tmp;
_finish = _start + oldSize;
_endOfStorage = _start + n;
}
}
void resize(size_t n, const T&value = T())
{
//1.如果n小于当前的size,则数据个数缩小到n
if (n<=size())
{
_finish = _start + n;
return;
}
//2.空间不够则增容
if (n>capacity)
{
reserve(n);
}
//3.将size扩大到n
iterator it = _finish;
_finish = _start + n;
while (it!=_finish)
{
*it = value;
++it;
}
}
//acess
T&operator[] = (size_t pos)
{
return _start[pos];
}
const T&operator[](size_t pos)const
{
return _start[pos];
}
//modify
void push_back(const T&x)
{
insert(end(), x);
}
void pop_back()
{
erase(--end());
}
void swap(vector<T>&v)
{
std::swap(_start, v._start);
std::swap(_finish, v._finish);
std::swap(_endOfStorage, v._endOfStorage);
}
iterator insert(iterator pos, const T&x)
{
assert(pos <= _finish);
//空间不够先进行增容
if (_finish==_endOfStroage)
{
//size_t size=size();
size_t newCapacity = (0 == capacity()) ? 1 : capacity() * 2;
reserve(newCapacity);
//如果发生了增容,需要重置pos
pos = _start + size();
}
iterator end = _finish - 1;
while (end>=pos)
{
*(end + 1) = *end;
--end;
}
*pos = x;
++_finish;
return pos;
}
//返回删除数据的下一个数据
//方便解决:一边遍历一边删除的迭代器时效问题
iterator erase(iterator pos)
{
//挪动数据进行删除
iterator begin = pos + 1;
while (begin != _finish)
{
*(begin - 1) = *begin;
++begin;
}
--finish;
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
};
}
2.2使用memcpy拷贝的问题
假设模拟实现的vector中的reserve接口中,使用memcpy进行的拷贝,以下代码会发生什么问题?
int main()
{
rzy::vector<rzy::string> v;
v.push_back("1111");
v.push_back("2222");
v.push_back("3333");
return 0;
}
问题分析:
1.memcpy是内存的二进制格式的拷贝,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
2.如果拷贝的是内置类型的元素,memcpy既高效又不会出错,但如果拷贝的是自定义类型的元素,并且自定义类型元素中设计到资源管理时,就会出错,因为memcpy的拷贝实际是浅拷贝。
结论:
如果对象中涉及到资源管理时,千万不能使用memcpy进行对象之间的拷贝,因为memcpy是浅拷贝,否则可能会引起内存泄漏甚至程序崩溃。
2.2对rzy::vector核心接口的测试
//对rzy::vector核心接口的测试
//constructing vectors
void TestVector1()
{
//constructors used in the same order as described zbove:
rzy::vector<int>first; //empty vector of ints
rzy::vector<int>second(4, 100); //four ints with value 100
rzy::vector<int>third(second.begin(), second.end());//iterating through second
rzy::vector<int>fourth(third); //a copy of third
//the iterator constructor can also be used to construct from arrays:
int myints[] = { 2, 5, 6, 9 };
rzy::vector<int>fifth(myints, myints + sizeof(myints) / sizeof(int));
std::cout << "the contents of fifth are:";
for (rzy::vector<int>::iterator it = fifth.begin(); it != fifth.end();++it)
{
std::cout << *it << " ";
}
std::cout << endl;
//测试T是string时,拷贝问题
rzy::vector<string>strV;
strV.PushBack("111");
strV.PushBack("222");
strV.PushBack("333");
strV.PushBack("444");
for (size_t i = 0; i < strV.size();++i)
{
cout << strV[i] << " ";
}
cout << endl;
}
//vector iterator的使用
void PrintVector(const rzy::vector<int>&v)
{
//使用const迭代器进行遍历打印
rzy::vector<int>::const_iterator it = v.begin();
while (it!=v.end())
{
cout << *it << " ";
++it;
}
cout << endl;
}
void TestVector2()
{
//使用push_back插入4个数据
rzy::vector<int>v;
v.push_back(1);
v.push_back(2);
v.push_back(3);
v.push_back(4);
v.push_back(1);
PrintVector(v);
//使用迭代器进行修改
auto it = v.begin();
while (it!=v.end())
{
*it *= 2;
++it;
}
PrintVector(v);
//这里可以看出C++11支持iterator及接口,旧支持范围for
for (auto e:v)
{
cout << e << " ";
}
}
//find / insert /erase
void TestVector3()
{
int a[] = { 1, 2, 3, 4 };
rzy::vector<int>v{ a, a + sizeof(a) / sizeof(int) };
//使用find查找3所在位置的iterator
auto pos = find(v.begin(), v.end(), 3);
//在pos为之前插入30
v.insert(pos, 30);
PrintVector(v);
//删除pos位置的数据,导致pos迭代器失效
auto pos = find(v.begin(), v.end(), 3);
v.erase(pos);
cout << *pos << endl;
//在pos位置插入数据,导致pos迭代器失效
//insert会导致迭代器失效,是因为insert可能会导致增容,增容后pos还能
//只想原来的空间,而原来的空间已经释放了
pos = find(v.begin(), v.end(), 3);
v.insert(pos, 30);
cout << *pos << endl;//此处会导致非法访问
//实现删除v中的所有偶数
//下面的程序会崩溃,如果是偶数erase会导致it失效
//对失效的迭代器进行++it,会导致程序崩溃
auto it = v.begin();
while (it!=v.end())
{
if (*it%2==0)
{
v.erase(it);
}
++it;
}
//以上程序要改成这样,erase会返回删除位置的下一个位置
it = v.begin();
while (it!=v.end())
{
if (*it % 2 == 0)
{
it = v.erase(it);
}
else
++it;
}
}
2.3动态二维数组理解
void test5(size_t n)
{
//使用vector定义二维数组vv,vv中每个元素都是vector<int>
rzy::vector<rzy::vector<int>>vv(n);
//将二维数组每一行中的vector<int>中的元素全部设置为1
for (size_t i = 0; i < n;++i)
{
vv[i].resize(i + 1, 1);
}
//给杨辉三角出第一列和对角线的所有元素赋值
for (int i = 2; i < n;++i)
{
for (int j = 1; j < i;++j)
{
vv[i][j] = vv[i - 1][j] + vv[i - 1][j - 1];
}
}
}
rzy::vector<rzy::vector<int>>vv(n);构造一个vv动态二维数组,vv中总共有n个元素,每个元素都是vector类型的,每行没有包含任何元素;