C++中的vector

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一、vector简介

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（deques, lists and forward_lists）， 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lists和forward_lists统一的迭代器和引用更好

二、vector的相关接口

三、vector的相关问题

1.vector的空间增长问题
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，顺序表增容都是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
2.vector的迭代器失效问题

// insert/erase导致的迭代器失效
#include <iostream>
#include <algorithm>
#include <vector>
using namespace std;
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
	// 在pos位置插入数据，导致pos迭代器失效。
	// insert会导致迭代器失效，是因为insert可
	// 能会导致增容，增容后pos还指向原来的空间，而原来的空间已经释放了。
	pos = find(v.begin(), v.end(), 3);
	v.insert(pos, 30);
	cout << *pos << endl; // 此处会导致非法访问
	return 0;
}

// 常见的迭代器失效的场景
#include <iostream>
#include <algorithm>
#include <vector>
using namespace std;
int main()
{
	int a[] = { 1, 2, 3, 4 };
	vector<int> v(a, a + sizeof(a) / sizeof(int));
	// 实现删除v中的所有偶数
	// 下面的程序会崩溃掉，如果是偶数，erase导致it失效
	// 对失效的迭代器进行++it，会导致程序崩溃
	vector<int>::iterator it = v.begin();
	while (it != v.end())
	{
		if (*it % 2 == 0)
			v.erase(it);
		++it;
	}
	// 以上程序要改成下面这样，erase会返回删除位置的下一个位置
	vector<int>::iterator it = v.begin();
	while (it != v.end())
	{
		if (*it % 2 == 0)
			it = v.erase(it);
		else
			++it;
	}
	return 0;
}

总结迭代器失效问题：
迭代器失效的本质：因为C++中的迭代器本质是指针，所以迭代器失效就是指针失效，也就是指针指向非法空间
迭代器失效的场景：扩容导致迭代器失效；删除导致迭代器失效。
a.扩容导致迭代器失效
例如：push_back：
原因：
因为其内部在空间不足时会自动发生扩容，此处注意vector的扩容机制：申请新空间->拷贝就空间的元素->释放旧空间。
一开始让迭代器指向这片空间，而在push_back的过程中，一旦在内部发生了扩容，这片空间已经释放掉了（不一定是原地扩容），这样就导致迭代器指向已经释放的空间，从而对迭代器进行操作就会造成错误，也就是迭代器失效
同样的原理还有：resize,reverse,assign等都可能导致迭代器失效
解决方法：重新给迭代器赋值

auto it = a.begin();
a.push_back(1);//可能会发生扩容
it = a.begin();//重新给迭代器赋值

b.删除导致迭代器失效
例如：earse

auto it = a.begin();
while(it != a.end())
{
	//a.erase(it);//可能会导致迭代器失效
	//it++;
	it = a.erase(it);//重新赋值
}

原因：因为erase用迭代器传参时，删除当前位置，返回的是下一个位置，所以开始错误的写法中返回值并没有接受，并且在原空间中进行++，从而导致迭代器失效
解决方法：重新给迭代器赋值
c.引用失效

vector<int> v {1,2,3,4,5,6};
int& ra = v[0];
ra = 999;
v.push_back(1);
ra = 666;

这段代码可能会导致引用失效，同样的道理，经过push_back后，空间可能已经发生了扩容，已经不是原空间了，但是因为引用底层仍是指针，即引用一个不存在的空间，导致引用失效
d.C++中的容器基本上是左闭右开的区间，所以不能删除end()迭代器位置

四、vector模拟实现

using namespace std;
#include <assert.h>
namespace wolf
{
	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;
		iterator begin() { return _start; }
		iterator end() { return _finish; }
		const_iterator cbegin() const { return _start; }
		const_iterator cend() const { return _finish; }
		// construct and destroy
		vector()
		: _start(nullptr)
		, _finish(nullptr)
		, _endOfStorage(nullptr)
		{}
		vector(int n, const T& value = T())
		: _start(nullptr)
		, _finish(nullptr)
		, _endOfStorage(nullptr)
		{
			reserve(n);
			while (n--)
			{
				push_back(value);
			}
		}
		// 如果使用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)
		{
			reserve(last - first);
			while (first != last)
			{
				push_back(*first);
				++first;
			}
		}
		vector(const vector<T>& v)
		: _start(nullptr)
		, _finish(nullptr)
		, _endOfStorage(nullptr)
		{
			reserve(v.capacity());
			iterator it = begin();
			const_iterator vit = v.cbegin();
			while (vit != v.cend())
			{
				*it++ = *vit++;
			}
			_finish = _start + v.size();
			_endOfStorage = _start + v.capacity();
		}
		vector<T>& operator= (vector<T> v)
		{
			swap(v);
			return *this;
		}
		~vector()
		{
			delete[] _start;
			_start = _finish = _endOfStorage = nullptr;
		}
		// capacity
		size_t size() const { return _finish - _start; }
		size_t capacity() const { return _endOfStorage - _start; }
		void reserve(size_t n)
		{
			if (n > capacity())
			{
				size_t oldSize = size();
				T* tmp = new T[n];
				// 这里直接使用memcpy?
				//if (_start)
				// memcpy(tmp, _start, sizeof(T)*size);
				if (_start)
				{
					for (size_t i = 0; i < oldSize; ++i)
						tmp[i] = _start[i];
				}
				_start = tmp;
				_finish = _start + size;
				_endOfStorage = _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n
			if (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n
			iterator it = _finish;
			iterator _finish = _start + n;
			while (it != _finish)
			{
				*it = value;
				++it;
			}
		}
///////////////access///////////////////////////////
		T& operator[](size_t pos){return _start[pos];}
		const T& operator[](size_t pos)const {return _start[pos];}
///////////////modify/////////////////////////////
		void push_back(const T& x){insert(end(), x);}
		void pop_back(){erase(--end());}
		void swap(vector<T>& v)
		{
			swap(_start, v._start);
			swap(_finish, v._finish);
			swap(_endOfStorage, v._endOfStorage);
		}
		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pos
				pos = _start + size;
			}
			iterator end = _finish - 1;
			while (end >= pos)
			{
				*(end + 1) = *end;
				--end;
			}
			*pos = x;
			++_finish;
			return pos;
		}

		// 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 _endOfStorage; // 指向存储容量的尾
	};
}

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