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前言
前面对
STL
进行了介绍 【 戳此了解STL】,本章就给大家带来STL
当中的vector
~
vector
在C++
里也是非常常用的,它相当于C语言当中的数组,但是比数组多了更多实用的操作,数组有的它有,数组没有的它也有,所以说,学习vector
可以使我们能够更好的对以一个序列(连续)存储的数据进行操作~
能够熟练的使用vector
,可以很大程度上提高写算法题的效率,有许多的困难算法题,都需要对一串连续储存的数据进行操作,这时候vector
以及它里面的方法就是个杀手锏了~
使用
STL
的三个境界:能用,明理,能扩展 ,那么下面学习vector
,我们也是按照这个方法去学习
🧑vector的介绍
vector的文档介绍
在C++中,vector是一种动态数组,它提供了对数组的抽象管理,包括动态调整大小、随机访问等。vector是C++标准库中的一部分,它提供了一个高效的、可预测的、可扩展的方式来存储和访问一组连续的数据。
- vector是表示可变大小数组的序列容器。
- 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。
- 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。
- 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。
- 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。
- 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。
vector的主要特点包括:
- 动态大小:vector的大小是动态的,可以根据需要增加或减少元素。你可以使用push_back()函数添加元素,使用erase()函数删除元素,或者直接使用resize()函数调整其大小。
- 随机访问:vector支持随机访问,你可以使用索引操作符[]直接访问任意位置的元素。
- 内存管理:vector自动管理其内存。当你向vector添加元素时,它会自动分配足够的内存以容纳新元素。当删除元素时,它会自动回收相应的内存。
- 插入和删除:vector提供了插入和删除元素的方法,如push_back()、pop_back()、insert()和erase()等。这些方法可以在指定的位置插入或删除元素,保持vector的连续性。
- 迭代器:vector提供了迭代器,可以遍历其所有元素。迭代器提供了访问每个元素的有效方式,并支持向前和向后遍历。
- 高效的随机访问:由于vector内部使用连续的内存空间来存储元素,因此随机访问非常高效。在大多数情况下,使用索引访问vector中的元素比使用迭代器遍历整个vector更快。
- 可修改的容量:你可以使用resize()函数来更改vector的容量。这允许你在运行时根据需要增加或减少存储空间的大小。
- 支持常量引用语义:对于包含常量元素的vector,可以使用常量引用语义来访问和修改元素。这有助于提高代码的可读性和安全性。
- 支持异常安全:C++的vector类型在某些操作中提供了异常安全的保证。例如,在执行push_back()或insert()操作时,如果发生异常,vector将保留其原始状态。这有助于防止在异常情况下破坏数据完整性。
此外,C++的vector是一个模板类【戳此了解模板】,这意味着它可以根据需要为不同的数据类型提供不同的实现。模板是一种C++的编程技术,允许程序员编写可以处理不同数据类型的通用代码。通过使用模板,可以创建可重用的组件,从而提高代码的可重用性和灵活性。
在C++中,vector的模板声明如下:
template <class T>
class vector {
// vector implementation details
};
这里,T是一个模板参数,表示vector可以容纳的任意数据类型。当创建vector对象时,需要指定模板参数,即要存储在vector中的数据类型。例如,要创建一个整数类型的vector,可以这样声明:
std::vector<int> myVector;
在这个例子中,int是模板参数,表示vector将容纳整数类型的数据。类似的,你也可以使用其他数据类型,如浮点数、字符串等。
由于vector是一个模板类,它提供了针对不同数据类型的成员函数和操作。例如,push_back()函数可以添加元素到vector的末尾,对于整数、浮点数、字符串等不同类型的vector都适用。类似地,vector也可以提供用于访问、修改和删除元素的成员函数,如at(), front(), back(), erase()等。
通过使用模板,vector提供了一种通用的、可扩展的方式来存储和操作一组连续的元素。这种灵活性使得vector成为C++标准库中非常有用的容器之一,适用于各种不同的编程场景。
🧑vector的使用
vector学习时一定要学会查看文档:[vector的文档介绍],vector在实际中非常的重要,在实际中我们熟悉常见的接口就可以,下面列出了哪些接口是要重点掌握的。
️vector的定义
int TestVector1()
{
// constructors used in the same order as described above:
vector<int> first; // empty vector of ints
vector<int> second(4, 100); // four ints with value 100
vector<int> third(second.begin(), second.end()); // iterating through second
vector<int> fourth(third); // a copy of third
// 下面涉及迭代器初始化的部分,我们学习完迭代器再来看这部分
// 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;
}
️vector iterator 的使用
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;
}
️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。
// 测试vector的默认扩容机制
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: 141
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
----------------------------------------------------------------------------------
// 如果已经确定vector中要存储元素大概个数,可以提前将空间设置足够
// 就可以避免边插入边扩容导致效率低下的问题了
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 << endl;
}
️vector 增删查改
// 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
// 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find
auto pos = find(v.begin(), v.end(), 3);
if (pos != v.end())
{
// 2. 在pos位置之前插入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;
}
cout << endl;
}
/ 遍历方式
// 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 };
// 通过[]读写第0个位置。
v[0] = 10;
cout << v[0] << endl;
// 1. 使用for+[]小标方式遍历
for (size_t i = 0; i < v.size(); ++i)
cout << v[i] << " ";
cout << endl;
vector<int> swapv;
swapv.swap(v);
cout << "v data:";
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;
}
️vector 迭代器失效问题(重点)
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:
- 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};
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;
}
- 指定位置元素的删除操作–erase
#include <iostream>
using namespace std;
#include <vector>
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;
}
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。
思考: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 <iostream>
using namespace std;
#include <vector>
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;
}
- 注意: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 <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;
}
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<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;
}
========================================================
// 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
[=============linux=========]$ vim testVector.cpp
[=============linux=========]$ g++ testVector.cpp -std=c++11
[=============linux=========]$ ./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。
4. 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();
// 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;
}
}
迭代器失效解决办法:在使用前,对迭代器重新赋值即可。
️小试牛刀
杨辉三角
只出现一次的数字
删除有序数组中的重复项
只出现一次的数字 II
只出现一次的数字 III
数组中出现次数超过一半的数字
电话号码的字母组合
写在最后
本章主要是给大家介绍vector~ 在
C++
中,vector
是一个非常重要的数据结构。它具有动态大小、随机访问、内存管理、插入和删除、迭代器等优点。它是一种通用的、可扩展的容器,适用于各种不同的编程场景。学习和掌握vector
的使用对于编写高效的C++
程序非常重要。因此,大家可要好好敲噢~
️后续将会继续输出有关
C++
的文章,你们的支持就是我写作的最大动力!
感谢阅读本小白的博客,错误的地方请严厉指出噢~
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