一、vector的介绍及使用

1、vector的介绍

https://cplusplus.com/reference/vector/vector/

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

（1）vector的定义

https://cplusplus.com/reference/vector/vector/vector/

• default(1)

这里给的是一个缺省值，目前只要看到 alloc 就可以直接忽略它，它是 STL 六大组件中的空间配置器。

• fill(2)

value_type 是第一个模板参数，它是一个 \0 。
 

• range(3)

这里的迭代器还是一个函数模板，也就是说这里的迭代器不一定是 vector 的迭代器。

// vector的构造
int TestVector1()
{// constructors used in the same order as described above:vector<int> first;                                // empty vector of intsvector<int> second(4, 100);                       // four ints with value 100vector<int> third(second.begin(), second.end());  // iterating through secondvector<int> fourth(third);                        // a copy of third// 下面涉及迭代器初始化的部分// the iterator constructor can also be used to construct from arrays:int myints[] = {16, 2, 77, 29};vector<int> fifth(myints, myints + sizeof(myints) / sizeof(int));cout << "The contents of fifth are:";for (vector<int>::iterator it = fifth.begin(); it != fifth.end(); ++it){cout << ' ' << *it;}		cout << '\n';return 0;
}

（2）vector iterator 的使用

// vector的迭代器
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;
}void TestVector2()
{// 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;}// 使用反向迭代器进行遍历再打印// vector<int>::reverse_iterator rit = v.rbegin();auto rit = v.rbegin();while (rit != v.rend()){cout << *rit << " ";++rit;}cout << endl;PrintVector(v);
}

（3） vector 空间增长问题

• 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 是 PJ 版本 STL，G++ 是 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 。

// vector的resize和reserve
// reisze(size_t n, const T& data = T())
// 将有效元素个数设置为n个，如果时增多时，增多的元素使用data进行填充
// 注意：resize在增多元素个数时可能会扩容
void TestVector3()
{vector<int> v;// set some initial content:for (int i = 1; i < 10; i++)v.push_back(i);v.resize(5);v.resize(8, 100);v.resize(12);cout << "v contains:";for (size_t i = 0; i < v.size(); i++)cout << ' ' << v[i];cout << '\n';
}

// 测试vector的默认扩容机制
// VS：按照1.5倍方式扩容
// Linux：按照2倍方式扩容
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';}}
}

VS2019： 

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

（4）vector 增删查改

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：

a. 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。

// 尾插和尾删：push_back/pop_back
void TestVector4()
{vector<int> v;v.push_back(1);v.push_back(2);v.push_back(3);v.push_back(4);auto 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;
}

// 任意位置插入：insert和erase，以及查找find
void TestVector5()
{// 使用列表方式初始化，C++11新语法vector<int> v{ 1, 2, 3, 4 };// 在指定位置前插入值为val的元素，比如：3之前插入30,如果没有则不插入// 1、先使用find查找3所在位置// 注意：vector没有提供find方法，如果要查找只能使用STL提供的全局findauto pos = find(v.begin(), v.end(), 3);if (pos != v.end()){// 2、在pos位置之前插入30v.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;}cout << endl;
}

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;    v.reserve(100); // 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 cout << "扩容之后，vector的容量为: " << v.capacity() << endl;while(it != v.end()){cout << *it << " ";++it;}cout << endl;return 0;
}

②  erase 删除任意位置代码后，Linux下迭代器并没有失效。

#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;
}

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。

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。

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;
}

此时迭代器是无效的，++it 导致程序崩溃。

1、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

2、 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 和 end 范围内，肯定会崩溃的。

d. 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();//s.resize(20, '!'); // 代码会崩溃，因为resize到20，string会进行扩容while (it != s.end()){cout << *it;++it;}cout << endl;it = s.begin();while (it != s.end()){it = s.erase(it);// s.erase(it); // 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++it;}
}

• 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。

迭代器失效解决办法 ：在使用前，对迭代器重新赋值即可。

【补充】

operator[] + index 和 C++11 中 vector 的新式 for+auto 的遍历。
vector 使用这两种遍历方式是比较便捷的。

void TestVector6()
{vector<int> v{1, 2, 3, 4};v[0] = 10; // 通过[]读写第0个位置cout << v[0] << endl;// 1、使用for+[]下标方式遍历for (size_t i = 0; i < v.size(); ++i){cout << v[i] << " ";}	cout << endl;vector<int> swapv;swapv.swap(v); // 使用swap函数将原先的vector v与一个新的空vector swapv进行交换cout << "v data:";// 在输出v的数据时，可以看到原先的v已经变为空，不再包含任何元素for (size_t i = 0; i < v.size(); ++i){cout << v[i] << " ";}		cout << endl;// 2、使用迭代器遍历cout << "swapv data:";auto it = swapv.begin();while (it != swapv.end()){cout << *it << " ";++it;}// 3、使用范围for遍历for (auto x : v){cout << x << " ";}		cout << endl;
}

operator[] 和 at 的区别是什么？

它们之间的主要区别在于对边界检查的处理方式：

• operator[] 使用下标访问运算符 [] 可以直接通过索引来获取元素，不进行边界检查。如果使用下标访问一个越界的索引，会导致未定义行为。这种方式比较高效，适用于已经进行了边界检查或者明确知道索引是有效的情况。
• at() 函数也用于通过索引来获取元素，但它会进行边界检查。如果传入的索引超过了有效的范围，at() 函数会抛出 std::out_of_range 异常。这种方式更安全，建议在需要进行边界检查或者对索引的有效性不确定时使用。

【总结】

operator[] 执行更快但不进行边界检查，而 at() 相对安全但速度稍慢，因为它会进行边界检查并抛出异常。

对于失效，有对应的机制来处理：比如 insert 是有一个返回值的，它返回一个迭代器指向新插入的那个元素，也就是说你想去访问那个指向的新插入的元素就可以 pos 接收 insert 的返回值。同理， erase 也是相同的，它返回被删除数据的下一个数据的位置。

二、vector深度剖析及模拟实现

1、std::vector的核心框架接口的模拟实现xyl::vector

#pragma once#include <iostream>
using namespace std;
#include <assert.h>namespace xyl
{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;// 构造和销毁vector(): _start(nullptr), _finish(nullptr), _end_of_storage(nullptr){}vector(size_t n, const T& value = T()): _start(nullptr), _finish(nullptr), _end_of_storage(nullptr){reserve(n);while (n--){push_back(value);}}/** 理论上将，提供了vector(size_t n, const T& value = T())之后* vector(int n, const T& value = T())就不需要提供了，但是对于：vector<int> v(10, 5);* 编译器在编译时，认为T已经被实例化为int，而10和5编译器会默认其为int类型* 就不会走vector(size_t n, const T& value = T())这个构造方法，* 最终选择的是：vector(InputIterator first, InputIterator last)* 因为编译器觉得区间构造两个参数类型一致，因此编译器就会将InputIterator实例化为int* 但是10和5根本不是一个区间，编译时就报错了。故需要增加该构造方法*/vector(int n, const T& value = T()): _start(new T[n]), _finish(_start + n), _end_of_storage(_finish){for (int i = 0; i < n; ++i){_start[i] = 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){while (first != last){push_back(*first);++first;}}vector(const vector<T>& v): _start(nullptr), _finish(nullptr), _end_of_storage(nullptr){reserve(v.capacity());iterator it = begin();const_iterator vit = v.cbegin();while (vit != v.cend()){*it++ = *vit++;}_finish = it;}vector<T>& operator=(vector<T> v){swap(v);return *this;}~vector(){if (_start){delete[] _start;_start = _finish = _end_of_storage = nullptr;}}// 迭代器相关iterator begin(){return _start;}iterator end(){return _finish;}const_iterator cbegin() const{return _start;}const_iterator cend() const{return _finish;}// 容量相关size_t size() const{return _finish - _start;}size_t capacity() const{return _end_of_storage - _start;}bool empty() const{return _start == _finish;}void reserve(size_t n){if (n > capacity()){size_t oldSize = size();// 1、开辟新空间T* tmp = new T[n];//2、拷贝元素//这里直接使用memcpy会有问题吗?//if (_start)//{ //	memcpy(tmp, _start, sizeof(T)*size);//}if (_start){for (size_t i = 0; i < oldSize; ++i){tmp[i] = _start[i];}// 3、释放旧空间delete[] _start;}_start = tmp;_finish = _start + oldSize;_end_of_storage = _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nif (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niterator it = _finish;_finish = _start + n;while (it != _finish){*it = value;++it;}}// 元素访问T& operator[](size_t pos){assert(pos < size());return _start[pos];}const T& operator[](size_t pos)const{assert(pos < size());return _start[pos];}T& front(){return *_start;}const T& front()const{return *_start;}T& back(){return *(_finish - 1);}const T& back()const{return *(_finish - 1);}// vector的修改操作void push_back(const T& x) {insert(end(), x);}void pop_back(){erase(end() - 1);}void swap(vector<T>& v){std::swap(_start, v._start);std::swap(_finish, v._finish);std::swap(_end_of_storage, v._end_of_storage);}iterator insert(iterator pos, const T& x){assert(pos <= _finish);// 空间不够先进行增容if (_finish == _endOfStorage){//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pospos = _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失效问题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 _end_of_storage; // 指向存储容量的尾};
}// 对模拟实现的vector进行严格测试
void TestXylVector1()
{xyl::vector<int> v1;xyl::vector<int> v2(10, 5);int array[] = { 1,2,3,4,5 };xyl::vector<int> v3(array, array + sizeof(array) / sizeof(array[0]));xyl::vector<int> v4(v3);for (size_t i = 0; i < v2.size(); ++i){cout << v2[i] << " ";}cout << endl;auto it = v3.begin();while (it != v3.end()){cout << *it << " ";++it;}cout << endl;for (auto e : v4){cout << e << " ";}cout << endl;
}void TestXylVector2()
{xyl::vector<int> v;v.push_back(1);v.push_back(2);v.push_back(3);v.push_back(4);v.push_back(5);cout << v.size() << endl;cout << v.capacity() << endl;cout << v.front() << endl;cout << v.back() << endl;cout << v[0] << endl;for (auto e : v){cout << e << " ";}cout << endl;v.pop_back();v.pop_back();for (auto e : v){cout << e << " ";}cout << endl;v.insert(v.begin(), 0);for (auto e : v){cout << e << " ";}cout << endl;v.erase(v.begin() + 1);for (auto e : v){cout << e << " ";}cout << endl;
}

2、使用memcpy拷贝问题

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

int main()
{xyl::vector<xyl::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。

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。

3、动态二维数组理解

// 以杨辉三角的前n行为例：假设n为5
void test2vector(size_t n)
{// 使用vector定义二维数组vv，vv中的每个元素都是vector<int>xyl::vector<xyl::vector<int>> vv(n);// 将二维数组每一行中的vecotr<int>中的元素全部设置为1for (size_t i = 0; i < n; ++i){vv[i].resize(i + 1, 1);}// 给杨慧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];}}
}

xyl::vector<xyl::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，如果 n 为 5 时如下所示：

vv 中元素填充完成之后，如下图所示：  

使用标准库中 vector 构建动态二维数组时与上图实际是一致的。