C++——vector容器的基本使用和模拟实现
2024-06-01 11:00:31
1、vector的介绍
- 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。
注意：string与vector类似，但也有不同之处。string是存放字符的动态数组，vector是存放一个T类型的动态数组，本质都是一个顺序表。并且我们使用vector时需要加头文件#include<vector>
2、vector的常用接口
构造函数
void test_vector1()
{vector<int> v1;vector<int> v2(10, 8);//开十个空间都赋值8vector<int> v3(++v2.begin(), --v2.end());//用自身的迭代器区间构造vector<int> v4(v3);//拷贝构造string s("hello world");vector<char> v5(s.begin(), s.end());//用string的迭代器区间构造
}尾插和尾删
vector<int> v;v.push_back(1);v.push_back(2);v.push_back(3);v.push_back(4);v.pop_back();v.pop_back();v.pop_back();v.pop_back();由于头删和头插效率太低了，vector并没有提供相应的接口。
遍历和[]访问
vector可支持[]下标访问，并且可以改变vector中的值，至于遍历，我们可以用下标遍历，也可以使用范围for来遍历。
//遍历for (size_t i = 0; i < v.size(); i++){v[i] += 1;//可修改cout << v[i] << " ";}cout << endl;//vector<int>::iterator it = v.begin();//迭代器 it指向vector的第一个数据while (it != v.end()){*it -= 1;cout << *it << " ";it++;}cout << endl;//范围for 本质也是迭代器for (auto e : v)//把v中的每个数据遍历的时候给给e{cout << e << " ";}cout << endl;//int a[] = { 1,2,3 };原生指针就是天然的迭代器，数组支持范围for，会被替换指针//for (int* p = a; p < a + sizeof(a) / sizeof(int); p++)//{}reserve和resize的使用
v.reserve(100); //扩容并只改变capacity空间v.resize(100); //扩容不仅改变capacity空间并且改变sizev.resize(100, 5); //扩容+初始化 或 删除数据（类比string）v.resize(2); //截取数据但不改变capacityfind和assign的使用
vector<int>::iterator ret = find(v.begin(), v.end(), 3);//auto ret = find(v.begin(), v.end(), 3);//如果没找到find返回第二个参数//如果找到了返回该数下标vector<int> v;v.push_back(1);v.push_back(2);v.push_back(3);v.push_back(4);v.assign(10, 5);//给v的前十个值上全部赋值为5，并且会覆盖原来的值clear、capacity、size、max_size的使用
cout <<"max_size:"<< v.max_size() << endl;//数据所能存放的最大容量cout <<"capacity:"<< v.capacity() << endl;//当前容量cout <<"size:"<< v.size() << endl;//当前数据个数v.clear();//只清理size的值不改变capacitycout << "-------------------";cout << "max_size:" << v.max_size() << endl;cout << "capacity:" << v.capacity() << endl;cout << "size:" << v.size() << endl;insert、erase的使用
vector<int> v;v.push_back(1);v.push_back(2);v.push_back(3);v.push_back(4);//v.assign(10, 5);//覆盖之前已有的值vector<int>::iterator ret = find(v.begin(), v.end(), 3);//auto ret = find(v.begin(), v.end(), 3);//如果没找到find返回第二个参数if (ret != v.end()){cout << "找到了" << endl;v.insert(ret, 30);//v.erase(ret);//不能在这删，因为ret失效了//这个迭代器失效问题，我们后面会细讲}v.insert(v.begin(), 30);//在v.begin()的前面插入30也就是头插vector<int>::iterator pos = find(v.begin(), v.end(), 300);if (pos != v.end())//找不到的时候就会返回v.end//因此找不到的时候不会进入{v.erase(pos);//删除pos下标的值}增容方式
int main()
{size_t sz;std::vector<int> foo;sz = foo.capacity();std::cout << "making foo trow;\n";for (int i = 0; i < 100; i++){foo.push_back(i);if (sz != foo.capacity()){sz = foo.capacity();std::cout << "capacity changed:" << sz << '\n';}}
}
由上图可知vs下vector是以大约1.5增容的。而Linux下g++是以2倍增容的。
vector相关OJ题
1、只出现一次的数
力扣
class Solution {
public:int singleNumber(vector<int>& nums) {int value=0;for(auto e : nums){value^=e;//将nums中的值全部互相异或，这样的话相同的数据刚好抵消}return value;//返回剩下的那个与其他值不相等的数据}
};2、杨辉三角形
力扣
杨辉三角形
class Solution {
public:vector<vector<int>> generate(int numRows){vector<vector<int>> vv;vv.resize(numRows);//先给外层vector开内存for (size_t i = 0; i < numRows; i++){vv[i].resize(i + 1);//给每一个小vector开内存vv[i][0] = vv[i][vv[i].size() - 1] = 1;//小vector中的头尾设为1}for (size_t i = 0; i < vv.size(); i++){for (size_t j = 0; j < vv[i].size(); j++){if (vv[i][j] == 0){vv[i][j] = vv[i - 1][j] + vv[i - 1][j - 1];}}}return vv;}
};3、电话号码的字母组合（重点题，代码中有详细注释）
//回溯力扣题：《电话号码的字母组合》
class Solution {string arr[10] = { "","","abc","def","ghi","jkl","mno","pqrs","tuv","wxyz" };//将0-9(其中0和1不给值)中的每个数字映射一个字符串
public://最关键的一个函数体，会反复使用void _letterCombinations(const string& digits, size_t i,string combinStr, vector<string>& strV)//传入digits的引用并且加const为了防止改变digits并且减少拷贝，digits就是我们传入的字符串//传入i为了遍历digits中的每个字符串，因为digits字符串的每个字符还代表这一个字符串：例如2->"abc"//combinStr是为了去存放每次递归后的字符串组合//strV为了存放所有情况遍历完全之后的字符串总和{if (i == digits.size())//由于i是从0开始的，倘若此时i已经与digits的长度相等那么说明i已经越界了也代表digits的字符串已经遍历完全了{strV.push_back(combinStr);//将我们组合好的combinStr尾插到strV中，strV也就是最终我们需要返回的那个字符串return;//立即返回，只要执行该语句，该函数将不再执行接下来的语句，因为此时就需要返回}string str = arr[digits[i] - '0'];//定义一个新的字符串str并且让str中存入我们需要遍历的字符串//digits[i]是访问到我们输入字符串中的某个字符//digits-'0'为了得到arr的下标 使其得到digits字符串中每个字符中的字符串//最后让它赋值给str我们就可以遍历str将其进行组合for (size_t j = 0; j < str.size(); j++)//遍历str进行组合，并且继续递归调用_letterCombination函数{_letterCombinations(digits, i + 1, combinStr + str[j], strV);//传入digits 为了继续访问它的字符中的字符串//传入i+1 为了访问digits中的下一个字符中的字符串 并且这样的话i不会发生改变 以便下次可以直接继续使用i+1//传入 combinStr+str[j] 为了将我们得到的str中的字符尾插到combinStr中存放起来，等遍历结束可以尾插到strV中//传入 strV 如果遍历结束可直接把combinStr中的值直接传入strV中}}vector<string> letterCombinations(string digits)//digits是我们所选择的字符串{string combinStr;//定义一个combinStr字符串vector<string> strV;//定义一个vector容器里面的值是string值if (digits.empty())//为了考虑我们的digits为空的情况下return strV;//若为空 直接返回//开始递归调用此函数_letterCombinations(digits, 0, combinStr, strV);return strV;//递归调用完成后返回}
};图解：
3、vector的模拟实现
vector的成员变量
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
构造函数
默认构造
vector():_start(nullptr), _finish(nullptr), _endofstorage(nullptr){}迭代器构造
//一个类模板的成员函数，又可以是一个函数模板template<class InputIterator>vector(InputIterator first, InputIterator last):_start(nullptr),_finish(nullptr),_endofstorage(nullptr){while (first != last){push_back(*first);first++;}}拷贝构造
//v2(v1)//现代写法vector(const vector<T>& v){vector<T> tmp(v.begin(),v.end());//没有模拟swap之前可用下列写法/*swap(_start, tmp._start);swap(_finish, tmp._finish);swap(_endofstorage, tmp._endofstorage);*///this->swap(tmp);swap(tmp);}
v2(v1)传统写法//vector(const vector<T>& v)// //拷贝构造（深拷贝）//{// _start = new T[v.capacity()];// _finish = _start + v.size();// _endofstorage = _start + v.capacity();// memcpy是浅拷贝// memcpy(_start, v._start, v.size() * sizeof(T));//}这里传统写法不是很推荐，因为会用到memcpy，因为memcpy会用到浅拷贝。
析构函数
~vector(){if (_start){delete[] _start;_start = _finish = _endofstorage = nullptr;}}赋值运算符重载函数
//v1=v2//现代写法vector<T>& operator=(vector<T> v){//未模拟swap时用下列方法/*swap(_start, v._start);swap(_finish, v._finish);swap(_endofstorage, v._endofstorage);*/swap(v);return *this;}迭代器
public:typedef T* iterator;typedef const T* const_iterator;begin()和end()
const_iterator begin() const{return _start;}const_iterator end() const{return _finish;}iterator begin(){return _start;}iterator end(){return _finish;}容量函数
size()和capacity()
size_t size() const{return _finish - _start;}size_t capacity() const{return _endofstorage - _start;}reserve
void reserve(size_t n){if (n > capacity()){//扩容size_t sz = size();T* tmp = new T[n];if (_start){//memcpy是浅拷贝//memcpy(tmp, _start, sizeof(T) * size());for (size_t i = 0; i < sz; i++){//T 是int，一个一个拷贝没问题//T 是string，一个一个拷贝调用是T的深拷贝复制，也没问题tmp[i] = _start[i];}delete[] _start;}_start = tmp;_finish = _start + sz;/*_finish = tmp + size();_start = tmp;*/_endofstorage = _start + n;}}resize
void resize(size_t n, const T& val = T()){if (n < size()){_finish = _start + n;}else{if (n > capacity()){reserve(n);}while (_finish != _start + n){*_finish = val;_finish++;}}}empty
bool empty()const
{return _start == _finish;
}
增删查改
push_back
void push_back(const T& x){if (_finish == _endofstorage){扩容//size_t newCapacity = capacity() == 0 ? 4 : capacity() * 2;size_t sz = size();//T* tmp = new T[newCapacity];//if (_start)//{// memcpy(tmp, _start, sizeof(T) * size());// delete[] _start;//}_start = tmp;_finish = _start + sz;//_finish = tmp + size();//_start = tmp;//_endofstorage = _start + newCapacity;reserve(capacity() == 0 ? 4 : capacity() * 2);} *_finish = x;_finish++;}pop_back
void pop_back(){assert(_finish > _start);//检查是否为空_finish--;}insert
iterator insert(iterator pos, const T& x){assert(pos >= _start);assert(pos <= _finish);//满了就扩容if (_finish == _endofstorage){//扩容//扩容会导致pos失效，扩容需要更新一下possize_t len = pos - _start;//计算一下扩容前pos与_start直接的距离以便以计算新posreserve(capacity() == 0 ? 4 : capacity() * 2);pos = _start + len;//得到新pos的位置}//移动数据iterator end = _finish - 1;while (end >= pos){*(end + 1) = *end;end--;}*pos = x;_finish++;return pos;}earse
iterator erase(iterator pos){assert(pos >= _start);assert(pos <= _finish);iterator begin = pos + 1;while (begin < _finish){*(begin - 1) = *begin;begin++;}_finish--;return pos;}swap
void swap(vector<T>& v){std::swap(_start, v._start);std::swap(_finish, v._finish);std::swap(_endofstorage, v._endofstorage);}下标访问
T& operator[](size_t i){assert(i < size());return _start[i];}完整代码
#pragma oncenamespace mwb
{template<class T>class vector{public:typedef T* iterator;typedef const T* const_iterator;vector():_start(nullptr), _finish(nullptr), _endofstorage(nullptr){}// v2(v1)传统写法//vector(const vector<T>& v)// //拷贝构造（深拷贝）//{// _start = new T[v.capacity()];// _finish = _start + v.size();// _endofstorage = _start + v.capacity();// memcpy是浅拷贝// memcpy(_start, v._start, v.size() * sizeof(T));//}//一个类模板的成员函数，又可以是一个函数模板template<class InputIterator>vector(InputIterator first, InputIterator last):_start(nullptr),_finish(nullptr),_endofstorage(nullptr){while (first != last){push_back(*first);first++;}}void swap(vector<T>& v){std::swap(_start, v._start);std::swap(_finish, v._finish);std::swap(_endofstorage, v._endofstorage);}//v2(v1)//现代写法vector(const vector<T>& v){vector<T> tmp(v.begin(),v.end());/*swap(_start, tmp._start);swap(_finish, tmp._finish);swap(_endofstorage, tmp._endofstorage);*///this->swap(tmp);swap(tmp);}//v1=v2//现代写法vector<T>& operator=(vector<T> v){/*swap(_start, v._start);swap(_finish, v._finish);swap(_endofstorage, v._endofstorage);*/swap(v);return *this;}~vector(){if (_start){delete[] _start;_start = _finish = _endofstorage = nullptr;}}const_iterator begin() const{return _start;}const_iterator end() const{return _finish;}iterator begin(){return _start;}iterator end(){return _finish;}T& operator[](size_t i){assert(i < size());return _start[i];}size_t size() const{return _finish - _start;}size_t capacity() const{return _endofstorage - _start;}void reserve(size_t n){if (n > capacity()){//扩容size_t sz = size();T* tmp = new T[n];if (_start){//memcpy是浅拷贝//memcpy(tmp, _start, sizeof(T) * size());for (size_t i = 0; i < sz; i++){//T 是int，一个一个拷贝没问题//T 是string，一个一个拷贝调用是T的深拷贝复制，也没问题tmp[i] = _start[i];}delete[] _start;}_start = tmp;_finish = _start + sz;/*_finish = tmp + size();_start = tmp;*/_endofstorage = _start + n;}}void resize(size_t n, const T& val = T()){if (n < size()){_finish = _start + n;}else{if (n > capacity()){reserve(n);}while (_finish != _start + n){*_finish = val;_finish++;}}}iterator insert(iterator pos, const T& x){assert(pos >= _start);assert(pos <= _finish);//满了就扩容if (_finish == _endofstorage){//扩容//扩容会导致pos失效，扩容需要更新一下possize_t len = pos - _start;//计算一下扩容前pos与_start直接的距离以便以计算新posreserve(capacity() == 0 ? 4 : capacity() * 2);pos = _start + len;//得到新pos的位置}//移动数据iterator end = _finish - 1;while (end >= pos){*(end + 1) = *end;end--;}*pos = x;_finish++;return pos;}iterator erase(iterator pos){assert(pos >= _start);assert(pos <= _finish);iterator begin = pos + 1;while (begin < _finish){*(begin - 1) = *begin;begin++;}_finish--;return pos;}void push_back(const T& x){if (_finish == _endofstorage){扩容//size_t newCapacity = capacity() == 0 ? 4 : capacity() * 2;size_t sz = size();//T* tmp = new T[newCapacity];//if (_start)//{// memcpy(tmp, _start, sizeof(T) * size());// delete[] _start;//}_start = tmp;_finish = _start + sz;//_finish = tmp + size();//_start = tmp;//_endofstorage = _start + newCapacity;reserve(capacity() == 0 ? 4 : capacity() * 2);} *_finish = x;_finish++;}void pop_back(){assert(_finish > _start);//检查是否为空_finish--;}private:iterator _start;iterator _finish;iterator _endofstorage;};
}
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