C++ STL vector容器

vector 容器是 STL 中最常用的容器之一，它和 array 容器非常类似，都可以看做是对 C++ 普通数组的“升级版”。不同之处在于，array 实现的是静态数组（容量固定的数组），而 vector 实现的是一个动态数组，即可以进行元素的插入和删除，在此过程中，vector 会动态调整所占用的内存空间，整个过程无需人工干预。

vector和数组类似，拥有一段连续的内存空间，并且起始地址不变。因此能高效的进行随机存取，时间复杂度为o(1);但因为内存空间是连续的，所以在进行插入和删除操作时，会造成内存块的拷贝，时间复杂度为o(n)。另外，当数组中内存空间不够时，会重新申请一块内存空间并进行内存拷贝。连续存储结构：vector是可以实现动态增长的对象数组，支持对数组高效率的访问和在数组尾端的删除和插入操作，在中间和头部删除和插入相对不易，需要挪动大量的数据。

vector 容器以类模板 vector<T>（ T 表示存储元素的类型）的形式定义在 <vector> 头文件中，并位于 std 命名空间中。

创建vector容器

创建 vector 容器的方式有很多，大致可分为以下几种。

1) 如下代码展示了如何创建存储 double 类型元素的一个 vector 容器：

std::vector<double> values;

注意，这是一个空的 vector 容器，因为容器中没有元素，所以没有为其分配空间。当添加第一个元素（比如使用 push_back() 函数）时，vector 会自动分配内存。

在创建好空容器的基础上，还可以像下面这样通过调用 reserve() 成员函数来增加容器的容量：

values.reserve(20);

这样就设置了容器的内存分配，即至少可以容纳 20 个元素。注意，如果 vector 的容量在执行此语句之前，已经大于或等于 20 个元素，那么这条语句什么也不做；另外，调用 reserve() 不会影响已存储的元素，也不会生成任何元素，即 values 容器内此时仍然没有任何元素。

还需注意的是，如果调用 reserve() 来增加容器容量，之前创建好的任何迭代器（例如开始迭代器和结束迭代器）都可能会失效，这是因为，为了增加容器的容量，vector<T> 容器的元素可能已经被复制或移到了新的内存地址。所以后续再使用这些迭代器时，最好重新生成一下。

2) 除了创建空 vector 容器外，还可以在创建的同时指定初始值以及元素个数，比如：

std::vector<int> primes {2, 3, 5, 7, 11, 13, 17, 19};

这样就创建了一个含有 8 个素数的 vector 容器。

3) 在创建 vector 容器时，也可以指定元素个数：

std::vector<double> values(20);

如此，values 容器开始时就有 20 个元素，它们的默认初始值都为 0。

注意，圆括号 () 和大括号 {} 是有区别的，前者（例如 (20) ）表示元素的个数，而后者（例如 {20} ）则表示 vector 容器中只有一个元素 20。

如果不想用 0 作为默认值，也可以指定一个其它值，例如：

std::vector<double> values(20, 1.0);

第二个参数指定了所有元素的初始值，因此这 20 个元素的值都是 1.0。

值得一提的是，圆括号 () 中的 2 个参数，既可以是常量，也可以用变量来表示，例如：

int num=20;
double value =1.0;
std::vector<double> values(num, value);

4) 通过存储元素类型相同的其它 vector 容器，也可以创建新的 vector 容器，例如：

std::vector<char>value1(5, 'c');
std::vector<char>value2(value1);

由此，value2 容器中也具有 5 个字符 'c'。在此基础上，如果不想复制其它容器中所有的元素，可以用一对指针或者迭代器来指定初始值的范围，例如：

int array[]={1,2,3};
std::vector<int>values(array, array+2);//values 将保存{1,2}
std::vector<int>value1{1,2,3,4,5};
std::vector<int>value2(std::begin(value1),std::begin(value1)+3);//value2保存{1,2,3}

注：std::begin()函数是C++11标准新加全局函数，含义和容器的成员函数begin()基本相同。

由此，value2 容器中就包含了 {1,2,3} 这 3 个元素。

Vector成员函数

函数成员	函数功能
begin()	返回指向容器中第一个元素的迭代器。
end()	返回指向容器最后一个元素所在位置后一个位置的迭代器，通常和 begin() 结合使用。
rbegin()	返回指向最后一个元素的迭代器。
rend()	返回指向第一个元素所在位置前一个位置的迭代器。
cbegin()	和 begin() 功能相同，只不过在其基础上，增加了 const 属性，不能用于修改元素。
cend()	和 end() 功能相同，只不过在其基础上，增加了 const 属性，不能用于修改元素。
crbegin()	和 rbegin() 功能相同，只不过在其基础上，增加了 const 属性，不能用于修改元素。
crend()	和 rend() 功能相同，只不过在其基础上，增加了 const 属性，不能用于修改元素。
size()	返回实际元素个数。
max_size()	返回元素个数的最大值。这通常是一个很大的值，一般是 2³²-1，所以我们很少会用到这个函数。
resize()	改变实际元素的个数。
capacity()	返回当前容量。
empty()	判断容器中是否有元素，若无元素，则返回 true；反之，返回 false。
reserve()	增加容器的容量。
shrink _to_fit()	将内存减少到等于当前元素实际所使用的大小。
operator[ ]	重载了 [ ] 运算符，可以向访问数组中元素那样，通过下标即可访问甚至修改 vector 容器中的元素。
at()	使用经过边界检查的索引访问元素。
front()	返回第一个元素的引用。
back()	返回最后一个元素的引用。
data()	返回指向容器中第一个元素的指针。
assign()	用新元素替换原有内容。
push_back()	在序列的尾部添加一个元素。
pop_back()	移出序列尾部的元素。
insert()	在指定的位置插入一个或多个元素。
erase()	移出一个元素或一段元素。
clear()	移出所有的元素，容器大小变为 0。
swap()	交换两个容器的所有元素。
emplace()	在指定的位置直接生成一个元素。
emplace_back()	在序列尾部生成一个元素。

迭代器相关成员函数

Vector容器容量capacity与大小size

vector 容器的容量（用 capacity 表示），指的是在不分配更多内存的情况下，容器可以保存的最多元素个数；而 vector 容器的大小（用 size 表示），指的是它实际所包含的元素个数；capacity()-size()则是剩余的可用空间大小。当size()和capacity()相等，说明vector目前的空间已被用完，如果再添加新元素，则会引起vector空间的动态增长。

可以调用 reserve() 成员函数来增加容器的容量（但并不会改变存储元素的个数）；而通过调用成员函数 resize() 可以改变容器的大小，并且该函数也可能会导致 vector 容器容量的增加。

#include <iostream>
#include <vector>
using namespace std;
int main()
{
    vector<int>value{ 2,3,5,7,11,13,17,19,23,29,31,37,41,43,47 };
    cout << "value 容量是：" << value.capacity() << endl;
    cout << "value 大小是：" << value.size() << endl;
    value.reserve(20);
    cout << "value 容量是(2)：" << value.capacity() << endl;
    cout << "value 大小是(2)：" << value.size() << endl;
    //将元素个数改变为 21 个，所以会增加 6 个默认初始化的元素
    value.resize(21);
    //将元素个数改变为 21 个，新增加的 6 个元素默认值为 99。
    //value.resize(21,99);
    //当需要减小容器的大小时，会移除多余的元素。
    //value.resize(20);
    cout << "value 容量是(3)：" << value.capacity() << endl;
    cout << "value 大小是(3)：" << value.size() << endl;
    return 0;
}

输出：

value 容量是：15
value 大小是：15
value 容量是(2)：20
value 大小是(2)：15
value 容量是(3)：30
value 大小是(3)：21

可以看到，仅通过 reserve() 成员函数增加 value 容器的容量，其大小并没有改变；但通过 resize() 成员函数改变 value 容器的大小，它的容量可能会发生改变。另外需要注意的是，通过 resize() 成员函数减少容器的大小（多余的元素会直接被删除），不会影响容器的容量。

下标访问

通过下标访问 vector 中的元素时不会做边界检查，即便下标越界。也就是说，下标与 first 迭代器相加的结果超过了 finish 迭代器的位置，程序也不会报错，而是返回这个地址中存储的值。如果想在访问 vector 中的元素时首先进行边界检查，可以使用vector中的at函数。通过使用at函数不但可以通过下标访问vector中的元素，而且在at函数内部会对下标进行边界检查。在越界时，at()函数会抛出一个异常。

vector底层实现原理

通过分析 vector 容器的源代码不难发现，它就是使用 3 个迭代器（可以理解成指针）来表示的：

//_Alloc 表示内存分配器，此参数几乎不需要我们关心
template <class _Ty, class _Alloc = allocator<_Ty>>
class vector{
    ...
protected:
    pointer _Myfirst;
    pointer _Mylast;
    pointer _Myend;
};

其中，_Myfirst 指向的是 vector 容器对象的起始字节位置；_Mylast 指向当前最后一个元素的末尾字节；_myend 指向整个 vector 容器所占用内存空间的末尾字节。

如图 1 所示，通过这 3 个迭代器，就可以表示出一个已容纳 2 个元素，容量为 5 的 vector 容器。

在此基础上，将 3 个迭代器两两结合，还可以表达不同的含义，例如：

_Myfirst 和 _Mylast 可以用来表示 vector 容器中目前已被使用的内存空间；
_Mylast 和 _Myend 可以用来表示 vector 容器目前空闲的内存空间；
_Myfirst 和 _Myend 可以用表示 vector 容器的容量。

对于空的 vector 容器，由于没有任何元素的空间分配，因此 _Myfirst、_Mylast 和 _Myend 均为 null。

通过灵活运用这 3 个迭代器，vector 容器可以轻松的实现诸如首尾标识、大小、容器、空容器判断等几乎所有的功能，比如：

template <class _Ty, class _Alloc = allocator<_Ty>>
class vector{
public：
    iterator begin() {return _Myfirst;}
    iterator end() {return _Mylast;}
    size_type size() const {return size_type(end() - begin());}
    size_type capacity() const {return size_type(_Myend - begin());}
    bool empty() const {return begin() == end();}
    reference operator[] (size_type n) {return *(begin() + n);}
    reference front() { return *begin();}
    reference back() {return *(end()-1);}
    ...
};

注：vector内存是连续的空间，引用没有实际地址，即没有独立的内存空间，因此vector的元素类型不能是引用。

自动扩容

只要有新元素要添加到 vector 容器中而恰好此时 vector 容器的容量不足时，该容器就会自动扩容。

vector 容器扩容的整个过程，和 realloc() 函数的实现方法类似，大致分为以下 4 个步骤：

分配一块大小是当前 vector 容量几倍（根据编译器的不同，一般为1.5或2倍，如在VS 下是1.5 倍，在GCC 下是2倍）的新存储空间。
将 vector 容器存储的所有元素，依照原有次序从旧的存储空间复制到新的存储空间中；
析构掉旧存储空间中存储的所有元素；
释放旧的存储空间。

通过以上分析不难看出，vector 容器的扩容过程是非常耗时的，并且当容器进行扩容后，之前和该容器相关的所有指针、迭代器以及引用都会失效。因此在使用 vector 容器过程中，我们应尽量避免执行不必要的扩容操作。
因此，避免 vector 容器执行不必要的扩容操作的关键在于，在使用 vector 容器初期，就要将其容量设为足够大的值。换句话说，在 vector 容器刚刚构造出来的那一刻，就应该借助 reserve() 成员方法为其扩充足够大的容量。

以2倍的方式扩容，导致下一次申请的内存必然大于之前分配内存的总和，导致之前分配的内存不能再被使用，所以最好倍增长因子设置为(1,2)之间。

对比可以发现采用采用成倍方式扩容，可以保证常数的时间复杂度，而增加指定大小的容量只能达到O(n)的时间复杂度，因此，使用成倍的方式扩容。

迭代器失效

由之前的知识可知，当发生自动扩容时，所有已存在的vector容器的迭代器均会失效。而由于vector的底层特性，当删除或插入一个中间元素时，该元素之后的其他迭代器亦会因错位导致失效。erase方法会返回下一个有效的迭代器，所以当我们要删除某个元素时，可以

it=vec.erase(it);

采用通用算法remove()来删除vector容器中的元素. remove只是简单地将元素移到了容器的最后面，迭代器还是可以访问到。因为algorithm通过迭代器进行操作，不知道容器的内部结构，所以无法进行真正的删除。不同的是：采用remove一般情况下不会改变容器的大小，而pop_back()与erase()等成员函数会改变容器的大小。（注：不是成员函数remove()）

push_back() & emplace_back()

emplace_back() 和 push_back() 的区别，就在于底层实现的机制不同。push_back() 向容器尾部添加元素时，首先会创建这个元素，然后再将这个元素拷贝或者移动到容器中（如果是拷贝的话，事后会自行销毁先前创建的这个元素）；而 emplace_back() 在实现时，则是直接在容器尾部创建这个元素，省去了拷贝或移动元素的过程。

#include <vector> 
#include <iostream> 
using namespace std;
class testDemo
{
public:
    testDemo(int num):num(num){
        std::cout << "调用构造函数" << endl;
    }
    testDemo(const testDemo& other) :num(other.num) {
        std::cout << "调用拷贝构造函数" << endl;
    }
    testDemo(testDemo&& other) :num(other.num) {
        std::cout << "调用移动构造函数" << endl;
    }
private:
    int num;
};

int main()
{
    cout << "emplace_back:" << endl;
    std::vector<testDemo> demo1;
    demo1.emplace_back(2);  

    cout << "push_back:" << endl;
    std::vector<testDemo> demo2;
    demo2.push_back(2);
}

输出：

emplace_back:
调用构造函数
push_back:
调用构造函数
调用移动构造函数

如果去掉testDemo中的移动构造函数：

emplace_back:
调用构造函数
push_back:
调用构造函数
调用拷贝构造函数

由此可以看出，push_back() 在底层实现时，会优先选择调用移动构造函数，如果没有才会调用拷贝构造函数。
显然完成同样的操作，push_back() 的底层实现过程比 emplace_back() 更繁琐，换句话说，emplace_back() 的执行效率比 push_back() 高。因此，在实际使用时，建议大家优先选用 emplace_back()。

swap()函数妙用

vector 模板类中提供了 pop_back()、erase()、clear() 等成员方法，可以轻松实现删除容器中已存储的元素。但需要注意得是，借助这些成员方法只能删除指定的元素，容器的容量并不会因此而改变。Vector 模板类中提供有一个 shrink_to_fit() 成员方法，该方法的功能是将当前 vector 容器的容量缩减至和实际存储元素的个数相等，可以之前的方法配合使用起到减小容量的目的。

除此之外，vector 模板类中还提供有 swap() 成员方法，该方法的基础功能是交换 2 个相同类型的 vector 容器（交换容量和存储的所有元素），但其也能用于去除 vector 容器多余的容量。
如果想用 swap() 成员方法去除当前 vector 容器多余的容量时，可以套用如下的语法格式：

vector<T>(x).swap(x);

其中，x 指当前要操作的容器，T 为该容器存储元素的类型。
下面程序演示了此语法格式的 swap() 方法的用法和功能：

#include <iostream>
#include <vector>
using namespace std;

int main()
{
    vector<int>myvector;
    //手动为 myvector 扩容
    myvector.reserve(1000);
    cout << "1、当前 myvector 拥有 " << myvector.size() << " 个元素，容量为 " << myvector.capacity() << endl;
    //利用 myvector 容器存储 10 个元素
    for (int i = 1; i <= 10; i++) {
        myvector.push_back(i);
    }
    //将 myvector 容量缩减至 10
    vector<int>(myvector).swap(myvector);
    cout << "2、当前 myvector 拥有 " << myvector.size() << " 个元素，容量为 " << myvector.capacity() << endl;
    return 0;
}

输出：

1、当前 myvector 拥有 0 个元素，容量为 1000
2、当前 myvector 拥有 10 个元素，容量为 10

调用swap函数的那行代码的执行流程可细分为以下 3 步：

1) 先执行 vector<int>(myvector)，此表达式会调用 vector 模板类中的拷贝构造函数，从而创建出一个临时的 vector 容器（后续称其为 tempvector）。

值得一提的是，tempvector 临时容器并不为空，因为我们将 myvector 作为参数传递给了拷贝构造函数，该函数会将 myvector 容器中的所有元素拷贝一份，并存储到 tempvector 临时容器中。

注意，vector 模板类中的拷贝构造函数只会为拷贝的元素分配存储空间。换句话说，tempvector 临时容器中没有空闲的存储空间，其容量等于存储元素的个数。

2) 然后借助 swap() 成员方法对 tempvector 临时容器和 myvector 容器进行调换，此过程不仅会交换 2 个容器存储的元素，还会交换它们的容量。换句话说经过 swap() 操作，myvetor 容器具有了 tempvector 临时容器存储的所有元素和容量，同时 tempvector 也具有了原 myvector 容器存储的所有元素和容量。
3) 当整条语句执行结束时，临时的 tempvector 容器会被销毁，其占据的存储空间都会被释放。注意，这里释放的其实是原 myvector 容器占用的存储空间。
经过以上 3 个步骤，就成功的将 myvector 容器的容量由 100 缩减至 10。

swap() 方法还可以用来清空 vector 容器

当 swap() 成员方法用于清空 vector 容器时，可以套用如下的语法格式：

vector<T>().swap(x);

其中，x 指当前要操作的容器，T 为该容器存储元素的类型。
注意，和上面语法格式唯一的不同之处在于，这里没有为 vector<T>() 表达式传递任何参数。这意味着，此表达式将调用 vector 模板类的默认构造函数，而不再是复制构造函数。也就是说，此格式会先生成一个空的 vector 容器，再借助 swap() 方法将空容器交换给 x，从而达到清空 x 的目的。

注：在使用 vector 容器时，要尽量避免使用该容器存储 bool 类型的元素，即避免使用 vector<bool>。

具体来讲，不推荐使用 vector<bool> 的原因有以下 2 个：

严格意义上讲，vector<bool> 并不是一个 STL 容器；
vector<bool> 底层存储的并不是 bool 类型值。

对于是否为 STL 容器，C++ 标准库中有明确的判断条件，其中一个条件是：如果 cont 是包含对象 T 的 STL 容器，且该容器中重载了 [ ] 运算符（即支持 operator[]），则以下代码必须能够被编译：

T *p = &cont[0];

此行代码的含义是，借助 operator[ ] 获取一个 cont<T> 容器中存储的 T 对象，同时将这个对象的地址赋予给一个 T 类型的指针。
这就意味着，如果 vector<bool> 是一个 STL 容器，则下面这段代码是可以通过编译的：

//创建一个 vector<bool> 容器
vector<bool>cont{0,1};
//试图将指针 p 指向 cont 容器中第一个元素
bool *p = &cont[0];

但这段代码不能通过编译。原因在于 vector<bool> 底层采用了独特的存储机制。
实际上，为了节省空间，vector<bool> 底层在存储各个 bool 类型值时，每个 bool 值都只使用一个比特位（二进制位）来存储。也就是说在 vector<bool> 底层，一个字节可以存储 8 个 bool 类型值。在这种存储机制的影响下，operator[ ] 势必就需要返回一个指向单个比特位的引用，但显然这样的引用是不存在的。

C++ 标准中解决这个问题的方案是，令 operator[] 返回一个代理对象（proxy object）。

同样对于指针来说，其指向的最小单位是字节，无法另其指向单个比特位。综上所述可以得出一个结论，即上面第 2 行代码中，用 = 赋值号连接 bool *p 和 &cont[0] 是矛盾的。

由于 vector<bool> 并不完全满足 C++ 标准中对容器的要求，所以严格意义上来说它并不是一个 STL 容器。可能有读者会问，既然 vector<bool> 不完全是一个容器，为什么还会出现在 C++ 标准中呢？

这和一个雄心勃勃的试验有关，还要从前面提到的代理对象开始说起。由于代理对象在 C++ 软件开发中很受欢迎，引起了 C++ 标准委员会的注意，他们决定以开发 vector<bool> 作为一个样例，来演示 STL 中的容器如何通过代理对象来存取元素，这样当用户想自己实现一个基于代理对象的容器时，就会有一个现成的参考模板。

然而开发人员在实现 vector<bool> 的过程中发现，既要创建一个基于代理对象的容器，同时还要求该容器满足 C++ 标准中对容器的所有要求，是不可能的。由于种种原因，这个试验最终失败了，但是他们所做过的尝试（即开发失败的 vector<bool>）遗留在了 C++ 标准中。

至于将 vector<bool> 遗留到 C++ 标准中，是无心之作，还是有意为之，这都无关紧要，重要的是让读者明白，vector<bool> 不完全满足 C++ 标准中对容器的要求，尽量避免在实际场景中使用它！

如何避免使用vector<bool>

那么，如果在实际场景中需要使用 vector<bool> 这样的存储结构，该怎么办呢？很简单，可以选择使用 deque<bool> 或者 bitset 来替代 vector<bool>。
要知道，deque 容器几乎具有 vecotr 容器全部的功能（拥有的成员方法也仅差 reserve() 和 capacity()），而且更重要的是，deque 容器可以正常存储 bool 类型元素。

还可以考虑用 bitset 代替 vector<bool>，其本质是一个模板类，可以看做是一种类似数组的存储结构。和后者一样，bitset 只能用来存储 bool 类型值，且底层存储机制也采用的是用一个比特位来存储一个 bool 值。
和 vector 容器不同的是，bitset 的大小在一开始就确定了，因此不支持插入和删除元素；另外 bitset 不是容器，所以不支持使用迭代器。

参考C语言中文网-STL-Vector容器部分、

posted @ 2021-09-02 19:20 默行于世阅读(347) 评论(0) 编辑收藏举报

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