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STL详解 - vector

news 2025/4/30 21:42:55

vector 的介绍及使用

1. vector 的介绍

2. vector 的使用

2.1 vector 的定义

2.2 vector iterator 的使用

2.3 vector 空间增长问题

2.4 vector 增删查改

2.5 vector 迭代器失效问题。

场景一：容量改变操作

场景二：删除操作(erase)

vector 的介绍及使用

1. vector 的介绍

vector 的文档介绍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

2.1 vector 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

vector 的构造代码演示：

#include <iostream>
using namespace std;
#include <vector>// vector的构造
int TestVector1()
{// 这里创建了一个名为first的空顺序表，它能够存储整数(int)类型的数据。// 因为没有提供初始大小，所以它默认为空。vector<int> first;// 这个声明创建了一个名为second的顺序表，它有4个元素，每个元素都被初始化为100。// 这里的(4, 100)是一个初始化列表，指定初始容量和所有元素的值。vector<int> second(4, 100);// 复制了second的所有元素到一个新的顺序表third。它从second的起始迭代器begin()开始，// 直到结束迭代器end()，创建了一个只包含second内容的新顺序表。vector<int> third(second.begin(), second.end());// fourth顺序表被初始化为third的一个副本，这意味着fourth拥有和third完全一样的元素和长度。vector<int> fourth(third);// 迭代器的初始化int myints[] = { 1, 2, 3, 4 };vector<int> fifth(myints, myints + sizeof(myints) / sizeof(int));// 复制myints数组中的所有元素，形成一个和数组大小相同的动态顺序表。cout << "The contents of are:";for (vector<int>::iterator it = fifth.begin(); it != fifth.end(); it++)cout << *it << " ";cout << endl;return 0;
}int main()
{TestVector1();return 0;
}

2.2 vector 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的reverse_iterator

vector 的迭代器使用代码演示：

#include <iostream>
using namespace std;
#include <vector>//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();cout << "The contents PrintVector are:";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cout << "The contents TestVector2 are:";vector<int>::iterator it = v.begin();while (it != v.end()){cout << *it << " ";it++;}// 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();cout << "The contents TestVector2 are:";auto rit = v.rbegin();while (rit != v.rend()){cout << *rit << " ";rit++;}cout << endl;PrintVector(v);
}int main()
{TestVector2();return 0;
}

2.3 vector 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的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。

// 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';}}
}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: 141g++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

// 往vecotr中插入元素时，如果大概已经知道要存放多少个元素
// 可以通过reserve方法提前将容量设置好，避免边插入边扩容效率低
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';}}
}

vector 容量接口使用代码演示：

#include <iostream>
using namespace std;
#include <vector>// 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;for (int i = 1; i < 10; i++)v.push_back(i);v.resize(5);v.resize(8, 100);v.resize(12);cout << "TestVector3 v contains:";for (size_t i = 0; i < v.size(); i++)cout << v[i] << " ";cout << endl;
}int main()
{TestVector3();return 0;
}

2.4 vector 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。（注意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position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

#include <iostream>
using namespace std;
#include <vector>
#include <algorithm>//  vector的增删改查
// 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);cout << "The contents TestVector4 are:";auto it = v.begin();while (it != v.end()){cout << *it << " ";it++;}cout << endl;v.pop_back();v.pop_back();cout << "The contents TestVector4 are:";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
// 注意find不是vector自身提供的方法，是STL提供的算法
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);}cout << "The contents TestVector5 are:";auto 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);cout << "The contents TestVector5 are:";it = v.begin();while (it != v.end()){cout << *it << " ";it++;}cout << endl;
}int main()
{TestVector4();TestVector5();return 0;
}

2.5 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：

场景一：容量改变操作

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 <iostream>
using namespace std;
#include <vector>int main()
{vector<int> v{ 1, 2, 3, 4, 5, 6 };vector<int>::iterator 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);while (it != v.end()){cout << *it << " ";++it;}cout << endl;return 0;
}

🌴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，从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。

场景二：删除操作(erase)

#include <iostream>
using namespace std;
#include <vector>int main()
{vector<int> v = { 1, 2, 3, 4, 5 };// 使用find查找4所在位置的iteratorvector<int>::iterator pos = find(v.begin(), v.end(), 4);// 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;
}

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，请问哪段代码是正确的，为什么？

#include <iostream>
using namespace std;
#include <vector>// 第一段代码
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;
}// 第二段代码
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;
}

第一段代码：

这段代码在删除元素后没有正确地更新迭代器 it。在调用 v.erase(it) 后，it 指向的元素已被删除，且 erase 函数会返回指向被删除元素之后元素的迭代器。然而，代码中没有使用这个返回值，而是错误地执行了 ++it。这可能导致 it 指向一个已经无效的内存位置（迭代器失效），进而导致未定义行为。

第二段代码：

这段代码正确处理了迭代器的更新。当找到一个偶数时，它使用 v.erase(it) 删除该元素，并且正确地将 it 更新为指向下一个元素的迭代器。如果数字不是偶数，则简单地将 it 向前移动。这种方式确保了迭代器始终有效，且代码能够安全地遍历并修改 vector。

综上所述：

第二段代码是正确的。它在删除元素后正确地更新了迭代器，避免了迭代器失效的问题。