C++效率掌握之STL库：vector函数全解

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本篇是 STL 库专题之 vector ，该类在算法题中广泛应用，既有数组的特性，又有简单的遍历，增删查改的操作函数，大大减少了传统数组的繁琐

1.为什么要学习vector？什么是vector？

vector 是标准模板库（STL）提供的一个容器类，它是动态数组的一种实现。这意味着它可以像普通数组一样存储一组相同类型的元素，并且能根据需要自动调整自身的大小，例如，你可以创建一个存储整数的 vector，然后不断往里面添加或删除元素，它会自动管理内存空间

vector 类是和 STL 库一起问世的，string 函数是在 STL 库之前创造的，为了一致性简便性，vector 、list 等类都减少了一部分不必要的函数，也将 string 加入了 STL 库

在这里插入图片描述

vector 的主要特征可总结为：

  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类对象的常见构造

在这里插入图片描述

vector作为一个类也有构造函数，析构函数，=运算符重载，我们重点介绍构造函数里的功能

函数名功能说明
vector()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)拷贝构造
vector (InputIterator first, InputIterator last)使用迭代器进行初始化构造

?代码测试示例：

#include 
#include 
using namespace std;

int main()
{
    vector<int> first;                                
    vector<int> second(4, 100);                       
    vector<int> third(second.begin(), second.end());  
    vector<int> fourth(third);

    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;
}
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⌨️代码输出示例：

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3.vector类对象的容量操作

在这里插入图片描述

在 vector 中同样对数组实现了容量操作，只不过相比 string ，删掉了 lenth 这类作用不大的函数

函数名功能说明
size返回数组有效数据个数
max_size返回的是 vector 理论上能够容纳的最大有效数据
resize将有效数据的个数增加或减少 n 个，多出的空间用默认值，少的截断即可
capacity返回空间总大小，即容量
reserve为数组增加预留空间，即增加预留容量
empty检测数组是否为空，是返回 true ，否则返回 false
shrink_to_fit请求 vector 对象将其容量缩小到和当前有效数据个数相匹配的大小

?值得注意的是：

  1. 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
  2. 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
  3. resize 在开空间的同时还会进行初始化，影响 size

?代码测试示例：

#include 
#include 
using namespace std;

int main()
{
	vector<int> v(10, 1);
	cout << "size:" << v.size() << endl;
	cout << "max_size:" << v.max_size() << endl;

	v.resize(15);
	cout << "resize:" << v.size() << ' ' << "v:";
	for (size_t i = 0; i < v.size(); ++i)
	{
		cout << v[i] << ' ';
	}
	cout << endl;

	v.reserve(20);
	cout << "reserve:" << v.capacity() << endl;
	cout << "capacity:" << v.capacity() << endl;
	cout << "empty:" << v.empty() << endl;

	v.shrink_to_fit();
	cout << "shrink_to_fit:" << v.capacity() << endl;

	return 0;
}
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⌨️代码输出示例：

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4.vector类对象的迭代器

在这里插入图片描述

vector 的迭代器和 string 的基本使用方法一致

函数名功能说明
begin + end迭代器：begin 获取开头一个数据 + end 获取最后一个数据下一个位置
rbegin + rend反向迭代器：rbegin 获取最后一个数据 + end 获取开头一个数据上一个位置
cbegin + cend和 begin + end 一样，但是常量迭代器只读
crbegin + crend和 rbegin + rend 一样，但是反向常量迭代器只读

?代码测试示例：

#include 
#include 
using namespace std;

int main()
{
	vector<int> v(10);
	for (size_t i = 0; i < 10; ++i)
	{
		v[i] = i;
	}

	cout << "迭代器:";
	vector<int>::iterator it1 = v.begin();
	while (it1 != v.end())
	{
		cout << *it1 << ' ';
		it1++;
	}
	cout << endl;

	cout << "反向迭代器:";
	vector<int>::reverse_iterator it2 = v.rbegin();
	while (it2 != v.rend())
	{
		cout << *it2 << ' ';
		it2++;
	}
	cout << endl;

	return 0;
}
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⌨️代码输出示例：

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5.vector类对象的元素修改

在这里插入图片描述

vector 相对于 string 增加了 emplace，去除了多余的 append

函数名功能说明
assign将新的内容赋值给数组
push_back数组尾插有效数据
pop_back数组尾删有效数据
insert在容器的指定位置插入元素
erase从容器里移除指定的元素或元素范围
swap交换两个 vector 对象的内容
clear移除 vector 对象中存储的所有字符
emplace在容器的指定位置直接构造元素
emplace_back在容器的末尾直接构造一个新元素

?代码测试示例：

#include 
#include 
using namespace std;

int main()
{
	vector<int> v{ 0,1,2,3,4,5,6,7,8,9 };

	cout << "v:";
	vector<int>::iterator it1 = v.begin();
	while (it1 != v.end())
	{
		cout << *it1 << ' ';
		it1++;
	}
	cout << endl;

	v.assign(10, 0);
	cout << "assign:";
	vector<int>::iterator it2 = v.begin();
	while (it2 != v.end())
	{
		cout << *it2 << ' ';
		it2++;
	}
	cout << endl;
	
	v.push_back(5);
	cout << "push_back:";
	vector<int>::iterator it3 = v.begin();
	while (it3 != v.end())
	{
		cout << *it3 << ' ';
		it3++;
	}
	cout << endl;

	v.pop_back();
	cout << "pop_back:";
	vector<int>::iterator it4 = v.begin();
	while (it4 != v.end())
	{
		cout << *it4 << ' ';
		it4++;
	}
	cout << endl;

	v.insert(v.begin() + 2, 3, 1);
	cout << "insert:";
	vector<int>::iterator it5 = v.begin();
	while (it5 != v.end())
	{
		cout << *it5 << ' ';
		it5++;
	}
	cout << endl;

	v.erase(v.begin() + 2, v.begin() + 5);
	cout << "erase:";
	vector<int>::iterator it6 = v.begin();
	while (it6 != v.end())
	{
		cout << *it6 << ' ';
		it6++;
	}
	cout << endl;

	vector<int> vv{ 1,3,4,5,6,7,8,9 };
	cout << "vv:";
	vector<int>::iterator it7 = vv.begin();
	while (it7 != vv.end())
	{
		cout << *it7 << ' ';
		it7++;
	}
	cout << endl;

	swap(v, vv);
	cout << "swap:" << ' ' << "v:";
	vector<int>::iterator it8 = v.begin();
	while (it8 != v.end())
	{
		cout << *it8 << ' ';
		it8++;
	}
	cout << ' ' << "vv:";
	vector<int>::iterator it9 = vv.begin();
	while (it9 != vv.end())
	{
		cout << *it9 << ' ';
		it9++;
	}
	cout << endl;

	v.emplace(v.begin(), 100);
	cout << "emplace:";
	vector<int>::iterator it10 = v.begin();
	while (it10 != v.end())
	{
		cout << *it10 << ' ';
		it10++;
	}
	cout << endl;

	v.emplace_back(100);
	cout << "emplace_back:";
	vector<int>::iterator it11 = v.begin();
	while (it11 != v.end())
	{
		cout << *it11 << ' ';
		it11++;
	}
	cout << endl;

	v.clear();
	cout << "clear:";
	vector<int>::iterator it12 = v.begin();
	while (it12 != v.end())
	{
		cout << *it12 << ' ';
		it12++;
	}
	cout << endl;

	return 0;
}
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⌨️代码输出示例：

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6.vector类对象的元素访问

在这里插入图片描述

vector的本质是数组，固然是要[]运算符重载

函数名功能说明
operator[ ]像数组一样，使用方括号语法来访问其内部数据
at访问指定位置元素
back返回容器中最后一个元素的引用
front返回容器中第一个元素的引用

?代码测试示例：

#include 
#include 
using namespace std;

int main()
{
	vector<int> v{ 0,1,2,3,4,5,6,7,8,9 };

	cout << "operator[ ]:" << v[5] << endl;
	cout << "at:" << v.at(5) << endl;
	cout << "back:" << (v.back() = 10) << ' ' << "v:";
	vector<int>::iterator it1 = v.begin();
	while (it1 != v.end())
	{
		cout << *it1 << ' ';
		++it1;
	}
	cout << endl;

	cout << "front:" << (v.front() = -1) << ' ' << "v:";
	vector<int>::iterator it2 = v.begin();
	while (it2 != v.end())
	{
		cout << *it2 << ' ';
		++it2;
	}
	cout << endl;
	return 0;
}
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⌨️代码输出示例：

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7.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)

?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

#include 
using namespace std;
#include 
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;
}
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?指定位置元素的删除操作–erase

#include 
using namespace std;
#include 
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;
}
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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，请问那个代码是正确的，为什么？

#include 
using namespace std;
#include 
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;
	}

	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;
}
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显然第二个是正确的

使用 v.erase(it) 删除元素后，迭代器 it 会失效，v.erase(it) 删除元素时，erase 函数会返回一个指向被删除元素之后元素的迭代器，这意味着在调用 v.erase(it) 之后，it 不再指向原来的迭代器，所以需要将这个返回值赋给 it，可以保证 it 始终指向一个有效的元素，从而避免了迭代器失效的问题

?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 
#include 
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 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
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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 
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;
	}
}
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总结： 在使用新的 iterator 类型的变量前，对迭代器重新赋值即可

希望读者们多多三连支持

小编会继续更新

你们的鼓励就是我前进的动力！

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