【C++】vector的使用和模拟实现（超级详解！！！！）

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前言

提示：这里可以添加本文要记录的大概内容：

C++中的vector是一个强大而灵活的动态数组容器，它提供了在运行时动态增长和收缩的能力，极大地简化了数组的管理。vector是标准模板库（STL）中的一部分，为程序员提供了高效的数据存储和操作方式。在本博客中，我们将深入介绍vector的基本用法，并进行深度剖析和模拟实现，以帮助你更好地理解和利用这一重要的C++容器。

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提示：以下是本篇文章正文内容，下面案例可供参考

1.vector的介绍及使用

1.1 vector的介绍

vector文档介绍

vector是一个动态数组容器，它以模板类的形式实现，能够存储同一类型的元素。其最显著的特点之一是能够在运行时动态调整数组大小，而不需要手动管理内存。通过push_back()进行元素的追加、pop_back()进行末尾元素的删除，以及使用迭代器进行元素的遍历，vector提供了简单而强大的操作方式。
vector的内部实现采用动态数组，这意味着它能够在需要时自动分配更多的内存空间，以适应元素的增加。这种机制确保了vector的高效性，使得它适用于各种规模和类型的数据集。

参考文献：
Josuttis, N. M. (2007). The C++ Standard Library: A Tutorial and Reference (2nd Edition). Addison-Wesley.
Stroustrup, B. (2013). The C++ Programming Language (4th Edition). Addison-Wesley.
Meyers, S. (2001). Effective STL: 50 Specific Ways to Improve Your Use of the Standard Template Library. Addison-Wesley.

1.2 vector的使用

vector学习时一定要学会查看文档：vector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。

1.2.1 vector的定义

#define _CRT_SECURE_NO_WARNINGS 1

#include 
#include 
using namespace std;
int main()
{
	vector<int> v1;//无参构造
	v1.push_back(0);
	v1.push_back(1);
	v1.push_back(2);
	v1.push_back(3);
	v1.push_back(4);
	v1.push_back(5);
	v1.push_back(6);
	for (int i = 0; i < v1.size(); i++)
	{
		cout << v1[i] << " ";
	}
	cout << endl;


	vector<int> v2(v1);
	v2.push_back(8);
	v2.push_back(8);
	v2.push_back(8);
	for (int i = 0; i < v2.size(); i++)
	{
		cout << v2[i] << " ";
	}
	cout << endl;
	return 0;
}
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1.2.2 vector iterator 的使用

图解：

#include 
#include 
using namespace std;
void Print1(const vector<int>&v)//正向遍历
{
	vector<int>::const_iterator it = v.begin();
	while (it != v.end())
	{
		cout << *it << " ";
		it++;
	}
	cout << endl;
}
void Print2(const vector<int>& v)//反向遍历
{
	vector<int>::const_reverse_iterator it = v.rbegin();
	while (it != v.rend())
	{
		cout << *it << " ";
		it++;
	}
	cout << endl;
}
int main()
{
	vector<int> v1;
	v1.push_back(1);
	v1.push_back(2);
	v1.push_back(3);
	v1.push_back(4);
	v1.push_back(5);
	v1.push_back(6);
	Print1(v1);
	Print2(v1);
	// 使用迭代器进行修改
	vector<int>::iterator it = v1.begin();
	while (it != v1.end())
	{
		*it *= 2;
		it++;
	}
	Print1(v1);
	Print2(v1);
	return 0;
}
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1.2.3 vector 空间增长问题

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，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。

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。

// vector::capacity
#include 
#include 
using namespace std;
int main()
{
	vector<int> v;
	cout << "making v growing!!!!" << endl;
	cout << "capacity changed:" << v.capacity() << endl;
	for (int i = 0; i < 100; i++)
	{
		v.push_back(i);
		if (v.size() == v.capacity())
			cout << "capacity changed:" << v.capacity() << endl;
	}
	
	
	return 0;
}
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运行结果：

// vector::reserve
#include 
#include 
using namespace std;
int main()
{
	vector<int> v;
	for (int i = 0; i < 100; i++)
	{
		v.push_back(i);
	}
	cout << "size:" << v.size()<<endl;
	cout << "capacity:" << v.capacity()<<endl;

	v.reserve(200);
	cout << "size:" << v.size() << endl;
	cout << "capacity:" << v.capacity() << endl;
	return 0;
}
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运行结果：

// vector::resize
#include 
#include 
using namespace std;
int main()
{
	vector<int> v;
	//for (int i = 0; i < 100; i++)
	//{
	//	v.push_back(i);
	//}
	cout << "size:" << v.size()<<endl;
	cout << "capacity:" << v.capacity()<<endl;

	v.resize(200);
	cout << "size:" << v.size() << endl;
	cout << "capacity:" << v.capacity() << endl;

	v.resize(100);
	cout << "size:" << v.size() << endl;
	cout << "capacity:" << v.capacity() << endl;

	v.resize(101,8);
	cout << "size:" << v.size() << endl;
	cout << "capacity:" << v.capacity() << endl;

	for (auto e : v)
	{
		cout << e << " ";
	}
	return 0;
}
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运行结果：

1.2.3 vector 增删查改

// push_back/pop_back
#include 
#include 
using namespace std;
int main()
{
	int arr[] = { 1,2,3,4 };
	vector<int> v(arr, arr + sizeof(arr) / sizeof(arr[0]));
	v.push_back(5);
	v.push_back(6);
	vector<int>::iterator 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++;
	}
	return 0;
}
// push_back/pop_back
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运行结果：

// find / insert / erase
#include 
#include 
using namespace std;
int main()
{
	vector<int> v;
	v.push_back(1);
	v.push_back(2);
	v.push_back(3);
	v.push_back(4);
	vector<int>::iterator pos = find(v.begin(), v.end(), 3);
	v.insert(pos, 0);
	for (auto e : v)
	{
		cout << e << " ";
	}
	cout << endl;
	pos = find(v.begin(), v.end(), 3);
	v.erase(pos);
	for (auto e : v)
	{
		cout << e << " ";
	}
	return 0;
}
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运行结果：

// 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。
#include 
#include 
using namespace std;
int main()
{
	vector<int> v = { 1,2,3,4 };
	//operator[]+index
	for (int i = 0; i < v.size(); i++)
	{
		cout << v[i]<<" ";
	}
	cout << endl;
	for (int i = 0; i < v.size(); i++)
	{
		v[i] *= 2;
	}
	vector<int> swapv;
	swapv.swap(v);
	for (auto e : swapv)
	{
		cout << e << " ";
	}

	return 0;
}
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运行结果：

1.2.4 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所谓的封装，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

1. 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 
#include 
using namespace std;
int main()
{
	vector<int> v = { 1,2,3,4 };
	auto it = v.begin();
	while (it != v.end())
	{
		cout << *it << " ";
		++it;
	}

	v.reserve(100);
	while (it != v.end())
	{
		cout << *it << " ";
		++it;
	}
	return 0;
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运行错误：

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。

2. 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。

迭代器失效解决办法：在使用前，对迭代器重新赋值即可

1.2.5 vector 在OJ中有关的练习题

1. 只出现一次的数字i
2. 杨辉三角OJ
3. 删除排序数组中的重复项 OJ
4. 只出现一次的数ii OJ
5. 只出现一次的数iii OJ
6. 数组中出现次数超过一半的数字 OJ
7. 电话号码字母组合OJ
8. 连续子数组的最大和 OJ

2.vector深度剖析及模拟实现

2.1 std::vector的核心框架接口的模拟实现dzj::vector

模拟实现代码

本文章内容后续会完善一些！！！

总结

通过本文的阅读，我们详细了解了C++中vector的基本概念、使用方法和一些关键特性。从动态数组的角度深度剖析了vector的内部机制，以及通过模拟实现进一步加深了对其工作原理的理解。vector的灵活性和高效性使其成为C++编程中不可或缺的工具，无论是在简单的数组操作还是复杂的数据结构中，都能展现其强大的应用价值。通过学习和研究vector，我们能够更好地优化代码、提高程序的效率，为C++编程带来更多便利。希望本文对你在使用和理解C++中的vector时有所帮助。