【C++ 】-vector:新时代动态数组的革新与未来

目录

1. vector的介绍及使用

1.1 vector的介绍

1.1.1 vector是什么

1.1.2 vector的存储机制

1.2 vector的使用

1.2.1 定义和构造函数

1.2.2 迭代器

1.2.3 容量相关操作

1.2.4 元素访问和修改

1.3 迭代器失效问题

2. vector深度剖析及模拟实现

2.1 std::vector的模拟实现

2.2 memcpy的使用问题

2.3 动态二维数组

总结


 

专栏:C++学习笔记 

上一卷:C++—STL

在C++标准模板库(STL)中,vector是一个非常重要的容器,它提供了一个动态数组,可以根据需要自动调整其大小。

1. vector的介绍及使用

1.1 vector的介绍

1.1.1 vector是什么

vector是一个序列容器,表示可变大小的数组。与数组相似,vector使用连续的存储空间来存储元素,因此可以通过下标访问元素,且效率与数组相当。不同的是,vector的大小是动态的,会随着元素的增加自动调整。

小李的理解vector就像是一个能自动扩展的数组,当需要放更多的东西时,它会自动找更大的地方,把原来的东西搬过去。

1.1.2 vector的存储机制

vector的实现基于动态分配数组。当新元素插入时,如果当前数组容量不足,vector会重新分配一个更大的数组,并将现有元素复制到新数组中。这种重新分配是一个耗时操作,但vector通常会预留额外的空间以减少重新分配的频率,从而优化性能。

小李的理解vector的存储方式就像是搬家,当家里东西太多放不下时,它会找到一个更大的房子,把所有东西搬过去,这样下次再放东西就不用总是搬家了。

1.2 vector的使用

使用vector时,必须熟悉其常用接口。以下是一些重要的接口:

1.2.1 定义和构造函数

  • 无参构造函数:vector()
  • 指定大小和默认值的构造函数:vector(size_type n, const value_type& val = value_type())
  • 拷贝构造函数:vector(const vector& x)
  • 使用迭代器范围的构造函数:vector(InputIterator first, InputIterator last)
#include <vector>
#include <iostream>

int main() {
    std::vector<int> v1; // 默认构造函数
    std::vector<int> v2(10, 1); // 构造一个包含10个1的vector
    std::vector<int> v3(v2); // 拷贝构造
    std::vector<int> v4(v2.begin(), v2.end()); // 迭代器范围构造

    return 0;
}

小李的理解创建vector的方法就像是买不同规格的箱子,有的箱子是空的(无参构造),有的箱子里已经装满了指定数量的物品(指定大小和默认值),有的箱子是完全照搬另一个箱子的东西(拷贝构造),还有的是根据一个范围内的物品来装箱(迭代器范围构造)。

1.2.2 迭代器

  • begin()end():获取首元素和末尾后一个位置的迭代器
  • rbegin()rend():获取末元素和首元素前一个位置的反向迭代器
#include <vector>
#include <iostream>

int main() {
    std::vector<int> v{1, 2, 3, 4, 5};
    for (auto it = v.begin(); it != v.end(); ++it) {
        std::cout << *it << " ";
    }
    std::cout << std::endl;
    return 0;
}

小李的理解迭代器就像是一个指针,可以帮我们一个一个地访问箱子里的东西,从头到尾,也可以从尾到头。

1.2.3 容量相关操作

  • size():获取当前元素个数
  • capacity():获取当前容量
  • empty():判断是否为空
  • resize():调整大小
  • reserve():预留存储空间
#include <vector>
#include <iostream>

int main() {
    std::vector<int> v;
    v.reserve(10); // 预留空间
    v.resize(5); // 调整大小为5
    std::cout << "Size: " << v.size() << ", Capacity: " << v.capacity() << std::endl;
    return 0;
}

 

小李的理解size告诉我们箱子里有多少东西,capacity告诉我们箱子能装多少东西,empty告诉我们箱子是不是空的,resize可以调整箱子里的东西数量,reserve可以提前预留空间,避免频繁换箱子。

1.2.4 元素访问和修改

  • operator[]:下标访问
  • at():带边界检查的访问
  • push_back():尾部插入
  • pop_back():尾部删除
  • insert():在指定位置插入
  • erase():删除指定位置的元素
  • swap():交换两个vector的内容
#include <vector>
#include <iostream>

int main() {
    std::vector<int> v{1, 2, 3, 4, 5};
    v.push_back(6); // 尾部插入
    std::cout << "After push_back(6): ";
    for (const auto& elem : v) {
        std::cout << elem << " ";
    }
    std::cout << std::endl; // After push_back(6): 1 2 3 4 5 6
    
    v.pop_back(); // 尾部删除
    std::cout << "After pop_back: ";
    for (const auto& elem : v) {
        std::cout << elem << " ";
    }
    std::cout << std::endl; // After pop_back: 1 2 3 4 5
    
    v.insert(v.begin() + 2, 10); // 在第三个位置插入10
    std::cout << "After insert at position 2: ";
    for (const auto& elem : v) {
        std::cout << elem << " ";
    }
    std::cout << std::endl; // After insert at position 2: 1 2 10 3 4 5
    
    v.erase(v.begin() + 2); // 删除第三个位置的元素
    std::cout << "After erase at position 2: ";
    for (const auto& elem : v) {
        std::cout << elem << " ";
    }
    std::cout << std::endl; // After erase at position 2: 1 2 3 4 5
    
    std::vector<int> v2{7, 8, 9};
    std::swap(v, v2); // 交换内容
    std::cout << "After swap: v: ";
    for (const auto& elem : v) {
        std::cout << elem << " ";
    }
    std::cout << std::endl; // After swap: v: 7 8 9
    std::cout << "v2: ";
    for (const auto& elem : v2) {
        std::cout << elem << " ";
    }
    std::cout << std::endl; // v2: 1 2 3 4 5

    return 0;
}

解释

  • v.push_back(6)vector末尾插入6,结果为1 2 3 4 5 6
  • v.pop_back()删除vector末尾元素,结果为1 2 3 4 5
  • v.insert(v.begin() + 2, 10)在第三个位置插入10,结果为1 2 10 3 4 5
  • v.erase(v.begin() + 2)删除第三个位置的元素,结果为1 2 3 4 5
  • std::swap(v, v2)交换vv2的内容,v变为7 8 9v2变为1 2 3 4 5

 

 

小李的理解vector就像是一个万能的箱子,不仅可以用下标访问里面的东西,还可以在尾部添加或删除东西,在指定位置插入或删除东西,还能和另一个箱子的东西互换。

1.3 迭代器失效问题

vector的操作中,有些操作可能会导致迭代器失效,如resizereserveinsertassignpush_back等。当这些操作引起底层数组重新分配时,原来的迭代器会指向无效的内存区域,继续使用这些迭代器会导致程序崩溃。因此,在这些操作后,必须重新获取迭代器。

#include <vector>
#include <iostream>

int main() {
    std::vector<int> v{1, 2, 3, 4, 5, 6};
    auto it = v.begin();
    
    // 操作可能导致迭代器失效
    v.assign(100, 8);
    
    // 必须重新获取迭代器
    it = v.begin();
    while (it != v.end()) {
        std::cout << *it << " ";
        ++it;
    }
    std::cout << std::endl;
    return 0;
}

小李的理解迭代器就像是箱子里的一个标记,告诉我们从哪里开始访问东西。但是如果箱子重新调整过,原来的标记就会失效,所以每次调整后需要重新放置标记。

2. vector深度剖析及模拟实现

 

2.1 std::vector的模拟实现

要深入理解vector,可以尝试实现一个简单的模拟版本。下面是一个简化的vector实现示例:

#include <iostream>  // Include this header for std::cout and std::endl

template <typename T>
class Vector {
private:
    T* data;
    size_t sz;
    size_t cap;

    void reallocate(size_t new_cap) {
        T* new_data = new T[new_cap];
        for (size_t i = 0; i < sz; ++i) {
            new_data[i] = std::move(data[i]);
        }
        delete[] data;
        data = new_data;
        cap = new_cap;
    }

public:
    Vector() : data(nullptr), sz(0), cap(0) {}

    void push_back(const T& value) {
        if (sz == cap) {
            reallocate(cap == 0 ? 1 : cap * 2);
        }
        data[sz++] = value;
    }

    size_t size() const { return sz; }
    size_t capacity() const { return cap; }
    T& operator[](size_t index) { return data[index]; }

    ~Vector() { delete[] data; }
};

int main() {
    Vector<int> v;
    v.push_back(1);
    v.push_back(2);
    v.push_back(3);

    std::cout << "v size: " << v.size() << ", capacity: " << v.capacity() << std::endl; // v size: 3, capacity: 4
    for (size_t i = 0; i < v.size(); ++i) {
        std::cout << v[i] << " ";
    }
    std::cout << std::endl; // 1 2 3

    return 0;
}

解释

  • v.push_back(1), v.push_back(2), v.push_back(3)将三个元素插入vector
  • 初始容量为0,每次容量不足时容量翻倍,最终容量为4,大小为3。
  • 输出vector大小和容量,结果为v size: 3, capacity: 4
  • 输出所有元素,结果为1 2 3

 

小李的理解这个模拟实现就像是自己动手做一个可扩展的箱子,当箱子满了,我们自己找个更大的地方搬过去,这样就可以不断地增加箱子里的东西。

2.2 memcpy的使用问题

vector的实现中,有时会使用memcpy来复制内存。但是,如果元素类型是自定义类型,且涉及资源管理,memcpy的浅拷贝会导致问题,如内存泄漏或程序崩溃。因此,对于自定义类型,应避免使用memcpy,而应使用元素的拷贝构造函数。

#include <iostream>
#include <cstring>

class MyClass {
public:
    int* data;
    MyClass(int value) {
        data = new int(value);
    }
    ~MyClass() {
        delete data;
    }
};

int main() {
    MyClass obj1(10);
    MyClass obj2(20);
    
    // 浅拷贝导致问题
    std::memcpy(&obj2, &obj1, sizeof(MyClass));
    
    std::cout << *obj2.data << std::endl; // 可能导致程序崩溃
    
    return 0;
}

 

小李的理解memcpy就像是复制一个箱子里的东西,但如果箱子里的东西需要特别处理(比如需要手动管理的资源),直接复制可能会出问题,应该用正确的方法来复制这些东西。、

 

 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。

2.3 动态二维数组

使用vector可以方便地构建动态二维数组,例如,生成杨辉三角:

#include <vector>
#include <iostream>

void generate_pascals_triangle(size_t n) {
    std::vector<std::vector<int>> vv(n);
    for (size_t i = 0; i < n; ++i) {
        vv[i].resize(i + 1, 1);
        for (size_t j = 1; j < i; ++j) {
            vv[i][j] = vv[i - 1][j] + vv[i - 1][j - 1];
        }
    }
    for (const auto& row : vv) {
        for (int val : row) {
            std::cout << val << " ";
        }
        std::cout << std::endl;
    }
}

int main() {
    size_t n = 5; // You can change this value to generate more rows of Pascal's Triangle
    generate_pascals_triangle(n);
    return 0;
}

小李的理解动态二维数组就像是很多小箱子放在一个大箱子里,每个小箱子可以根据需要调整大小,用来存放不同数量的东西。比如杨辉三角,每一行的小箱子里放的东西都不一样多。

总结

C++中的vector是一个动态数组,可以根据需要自动调整大小。它使用连续的内存空间,像普通数组一样可以通过下标快速访问元素,但与普通数组不同的是,vector可以动态增加或减少元素。创建vector有多种方式,包括默认构造、指定大小和默认值、拷贝构造等。常用的操作有插入、删除、访问和遍历元素,vector还提供了容量管理的方法,如reserveresize,以优化性能。在使用过程中需要注意迭代器失效的问题,当vector重新分配内存时,原来的迭代器会失效,必须重新获取。通过这些特性,vector在处理动态数据时非常方便和高效。

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