【C++】STL—vector的常用接口

vector的常用接口

前言

这里我们讲解vector的时候就不会像string类一样这么详细，string类讲的详解一些，为后面做铺垫。有了string类的基础，大家看一些接口就知道是什么意思，这里给大家而是讲解一些常用的接口，剩下的接口不太常用，如果大家遇到了，查文档即可，这里推荐两个C++文档，cplusplus.com 以及 cppreference.com。第二个网站是C++的官网，但是感觉不太好用，我平时都喜欢用第一个，感觉较为方便。

一、vector介绍

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（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。

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二、vector的使用

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

示例：

• vector() 无参构造

int main()
{
    vector<int> v;
}
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• vector（size_type n, const value_type& val = value_type()）构造并初始化n个val

vector<int> v1(10, 5);//用10个5来初始化v1
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• vector (const vector& x); 拷贝构造

vector<int> v1(10, 1);//使用10个1来初始化v1
vector<int> v2(v1);//使用v1去拷贝构造v2
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• vector (InputIterator first, InputIterator last); 使用迭代器进行初始化构造

vector<int> v1(10, 1);//使用10个1来初始化v1
vector<int> v3(v1.begin(), v1.end());//使用迭代器拷贝构造v1的数据
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• 还可以通过迭代器初始化来获得string的字符串

string s = "hello world";
vector<char> v(s.begin(), s.end());
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2. vector的遍历

接口名称	使用说明
operator[ ]	下标 + [ ]
迭代器	begin + end 或 rbrgin + rend
范围for	底层还是借用迭代器实现

2.1.operator[ ]

operator[ ]就是对[ ]的重载，我们可以像C语言那样使用下标 + [ ]去访问元素。

void test_vector1()
{
	vector<int> v;
	v.push_back(1);
	v.push_back(2);
	v.push_back(3);
	v.push_back(4);
	
	for (size_t i = 0; i < v.size(); ++i)
	{
		cout << v[i] << "";
	}
	cout << endl;
}
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2.2.迭代器

vector的迭代器和string的迭代器近乎一致，规则也都类似。

iterator的使用	接口说明
begin + end	begin获取第一个数据位置的iterator/const_iterator，end获取最后一个数据的下一个位置的iterator/const_iterator
rbegin + rend	rbegin获取最后一个数据位置的reverse_iterator，rend获取第一个数据前一个位置的reverse_iterator

• 正向迭代器：

void test()
{
    vector<int>::iterator it = v.begin();
	while (it != v.end())
	{
		cout << *it << " ";
		it++;
	}
	cout << endl;
}
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• 反向迭代器：

void test()
{
    vector<int>::iterator it = v.rend();
    while(it != v.rbegin())
    {
        cout << *it << " ";
        it++;
	}
    cout << endl;
}
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2.3.范围for

范围for的底层就是替换了迭代器，先前string类已经实现过。

void test()
{
    for(auto e : v)
	{
		cout << e << " ";  
	}
	cout << endl;
}
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3. vector的空间增长问题

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中的size
reserve（重点）	改变vector的capacity
max_size	vector中的最大数据
Shrink to fit	收缩字符串容量

3.1.size和capacity

vector的size是用来获取有效数据个数，而capacity就是获取容量大小：

void test_vector2()
{
	vector<int> v;
	v.push_back(1);
	v.push_back(2);
	v.push_back(3);
	v.push_back(4);
	cout << v.capacity() << endl;
	cout << v.size() << endl;

	v.push_back(5);
	v.push_back(6);
	v.reserve(10);
	cout << v.capacity() << endl;
	cout << v.size() << endl;
	
	// 比当前容量小时，不缩容
	v.reserve(4);
	cout << v.capacity() << endl;
	cout << v.size() << endl;
}
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3.2.max_size和empty

max_size的作用是返回vector容器可以容纳的最大元素数，用类型的最大值除以sizeof(类型）即max_size。

empty是判断vector容器是否为空。

void test()
{
	vector<int> v;
	cout << v.max_size() << endl;
    v.push_back(1);
    v.push_back(1);
    v.push_back(1);
    if(empty(v))
        cout << "vector is empty" << endl;
}
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3.3.reserve

reserve的作用是请求更改容量capacity。

1. 如果 n 大于当前容量，则该函数会导致容器重新分配其存储，可能会发生异地扩容，将其容量增加到 n（或更大）。
2. 在其他情况下，函数调用不会导致重新分配内存，即容量不会受影响。

void test()
{
    vector<int> v;
	v.push_back(1);
	v.push_back(2);
	v.push_back(3);
	v.push_back(4);
	cout << v.capacity() << endl;
	cout << v.size() << endl;
    // 比当前容量大时，增容
	v.reserve(10);
	cout << v.capacity() << endl;
	cout << v.size() << endl;
    // 比当前容量小时，不缩容
	v.reserve(4);
	cout << v.capacity() << endl;
	cout << v.size() << endl;
}
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• 补充：

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';
		}
	}
}
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测试结果如下：

• 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。

• 为什么一定要按照1.5倍或2倍增长呢？

答案：合适，单次增容越多，插入N个值，增容次数越少，效率就越高，但是浪费空间就越多。单次增容越少，就会导致频繁增容，效率低下。1.5倍或2倍是最平衡的做法。

3.4.resize

resize在空间的同时也进行了初始化。

1. 如果 n 小于当前容器大小，则内容将减少到其前 n 个元素，删除超出（并销毁）的元素。
2. 如果 n 大于当前容器大小 ，则通过在末尾插入所需数量的元素以达到 n 的大小来扩展内容。如果指定了 val，则新元素将初始化为 val 的副本，否则，它们将进行值初始化。

void test()
{
	vector<int> v;
	v.push_back(1);
	v.push_back(2);
	v.push_back(3);
	v.push_back(4);
	cout << v.capacity() << endl;
	cout << v.size() << endl;
	v.resize(8);
	v.resize(15, 1);
	v.resize(3);
}
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3.5.Shrink to fit

1. 请求容器减小其容量以适应其大小。

2. 请求是非绑定的，容器实现可以自由优化，并使vector具有大于其大小的容量。

3. 这可能会导致重新分配，但对vector大小没有影响，并且不能更改其元素。

void test()
{
    vector<int> v(100);
    cout << v.capacity() << " "; // 100
    str.resize(10);
    cout << v.capacity() << " "; // 100
    str.shrink_to_fit();
    cout << v.capacity() << " "; // 10
}
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4. vector的增删查改

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	在下标为pos的前面插入val
erase	删除pos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
sort	排序（注意这里也不是vector的函数接口，只是用于排序）
assign	分配内容给vector，即初始化vector，覆盖原来的内容

4.1.push_back和pop_back

这俩接口和string的没啥区别，这里简单给出测试用例：

void TestBitVector2()
{
	vector<int> v;
	v.push_back(1);
	v.push_back(2);
	v.push_back(3);
	v.push_back(4);
	v.push_back(5);
	cout << v.size() << endl;
	cout << v.capacity() << endl;
	cout << v.front() << endl;
	cout << v.back() << endl;
	cout << v[0] << endl;
	for (auto e : v)
	{
		cout << e << " ";
	}
	cout << endl;

	v.pop_back();
	v.pop_back();
	for (auto e : v)
	{
		cout << e << " ";
	}
	cout << endl;
}
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insert和erase

insert就是在迭代器下标为pos的前面插入val，erase就是删除迭代器下标为pos的值。

void test()
{
    vector<int> v;
	v.push_back(1);
	v.push_back(2);
	v.push_back(3);
	v.push_back(4);
	v.insert(v.begin(), 0);
	for (auto e : v)
	{
		cout << e << " ";
	}
	cout << endl;

	v.erase(v.begin() + 1);
	for (auto e : v)
	{
		cout << e << " ";
	}
	cout << endl;
}
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4.2.find

这里的find并不是vector的成员函数，这个是算法模块实现。其本质就是在一段左闭右开的迭代器区间去寻找一个值。找到了就返回它的迭代器，找不到就返回它的开区间那个迭代器。

void test()
{
    vector<int> v1;
	v1.push_back(10);
	v1.push_back(20);
	v1.push_back(30); 
	v1.insert(v1.begin(), 40);
	v1.insert(v1.begin()+2, 50);
    // 没有find成员
	//vector::iterator it = v.find(3);
	vector<int>::iterator it = find(v1.begin(), v1.end(), 20);
	if (it != v1.end())
	{
		v1.insert(it, 2);
	}
	for (auto e : v1)
	{
		cout << e << " ";
	}
	cout << endl;
}
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4.3.operator[]

operator[ ]就是对[ ]的重载，我们可以像C语言那样使用下标 + [ ]去访问元素。

这里有一个经典错误，我们开辟了10个容量的空间，然后去访问，发现访问不了。这是因为你只开空间但是没有初始化。所以这里我们根本进不去for循环。我们用v[6]去访问元素，发现程序崩溃。这里我们应该用resize。

void test()
{
	vector<int> v;
	v.reserve(10); // size没有变化
	//v.resize(10);
	//v[6];
	for (size_t i = 0; i < v.size(); i++)
	{
		v[i] = i; // assert
		v.at(i) = i; // 抛异常
	}
}
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我们在讲string类的时候说过，operator[]访问异常会断言报错，而at会抛异常，异常我们以后在涉及。

4.4.sort

sort函数也不是vector的成员函数，这里只是为了对vector创建的数据进行排序。

void test()
{
	vector<int> v;
	v.push_back(1);
	v.push_back(6);
	v.push_back(-2);
	v.push_back(23);
	v.push_back(-6);
//默认sort是升序
	sort(v.begin(), v.end());
	for (auto e : v)
		cout << e << " "; 
	cout << endl;
//要排降序，就要用到仿函数,具体是啥后续详谈
	sort(v.begin(), v.end(), greater<int>());
	for (auto e : v)
		cout << e << " "; 
}
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4.5.assign

给vector重新赋值，可能会引起底层容量改变。也可以给其他容器赋值，比如string。

void test()
{
	vector<int> v;
	v.push_back(1);
	v.push_back(2);
	v.push_back(3);
	v.push_back(4);
	v.assign(10, 1); // 赋值为10个1	
	for (auto e : v)
	{
		cout << e << " ";
	}
	cout << endl;

	vector<int> v1;
	v1.push_back(10);
	v1.push_back(20);
	v1.push_back(30);
	v.assign(v1.begin(), v1.end());//以v1的元素赋值v
	for (auto e : v)
	{
		cout << e << " "; // 10 20 30
	}
	cout << endl;

	string s("hello world");// 这里去掉首字母h，尾字母d
	v.assign(++s.begin(), --s.end()); // 因为模板为int类型，所以string类的字符为强转为int
	for (auto e : v)
	{
		cout << e << " ";
	}
	cout << endl;
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