【C++/STL】:vector容器的底层剖析&&迭代器失效&&隐藏的浅拷贝
24k纯甄 2024-07-26 16:05:03 阅读 80
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💡前言一,构造函数1 . 强制编译器生成默认构造2 . 拷贝构造3. 用迭代器区间初始化4. 用n个val值构造5. initializer_list 的构造
二,析构函数三,关于迭代器四,有关数据个数与容量五,交换函数swap六,赋值拷贝七,[ ]运算符八,预留空间(扩容)8.1 使用memcpy拷贝问题(重点)
九,尾插和尾删数据十,插入数据 insert十一,删除数据 erase十二,insert和erase的迭代器失效问题(重点)1. 什么是迭代器失效?2. insert 的迭代器失效2.1 insert 内部pos位置的失效2.2 insert 以后外部的实参失效
3. erase 以后的迭代器失效
💡前言
点击跳转到文章:vector容器的基本使用
上篇文章已经介绍了vector容器的基本使用,这篇文章主要选择vector中一些核心的,基本的接口进行模拟实现。
注意:由于我们模拟实现时使用了类模板,所以不建议进行文件分离,不然会产生链接错误。所以我们把函数都写在.h文件中,在Test.cpp文件中进行测试。
首先我们先给出vector类:
<code>#include <assert.h>
#include <vector>
#include <iostream>
using namespace std;
template<class T>
class vector
{
public:
// Vector的迭代器是一个原生指针
typedef T* iterator;
typedef T* const_iterator;
//......
private:
iterator _start = nullptr;//指向开始位置的指针
iterator _finish = nullptr;//指向最后一个位置的下一个位置的指针
iterator _end_of_storage = nullptr;//指向存储容量的尾
};
一,构造函数
在vector文档中,构造函数分为好几个类型,下面分别进行介绍:
1 . 强制编译器生成默认构造
无参构造
vector() = default;
2 . 拷贝构造
//v2(v1);
vector(const vector<T>& v)
{
//提前预开空间,避免边尾插边扩容
reserve(v.capacity());
for (auto e : v)
{
//this->push_back(e);
push_back(e);
}
}
3. 用迭代器区间初始化
(1) 一个类模版的成员函数可以写成函数模版。
(2) 若使用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)
{
while (first != last)
{
push_back(*first);
++first;
}
}
4. 用n个val值构造
vector(size_t n, const T& val = T())
{
reserve(n);
for (size_t i = 0; i < n; i++)
{
push_back(val);
}
}
vector(int n, const T& val = T())
{
reserve(n);
for (size_t i = 0; i < n; i++)
{
push_back(val);
}
}
具体使用:
//初始化3个空
vector<string> v1(3);
//初始化为3个xx
vector<string> v2(3, "xx");
//初始化为3个1
vector<int> v3(3, 1);//err 非法的间接寻址.参数匹配问题
vector<int> v3(3u, 1);//ok
//如果非要这样传参数,就需要再重载一个构造
vector<int> v3(3, 1);
(1) 为什么要重载两个类似的构造?
理论上将,提供了vector(size_t n, const T& value = T())之后vector(int n, const T& value = T())就不需要提供了,但是对于:vector< int > v(10, 5);
编译器在编译时,认为T已经被实例化为int,而10和5编译器会默认其为int类型, 就不会走vector(size_t n, const T& value = T())这个构造方法, 最终选择的是:vector(InputIterator first, InputIterator last)。因为编译器觉得区间构造两个参数类型一致,因此编译器就会InputIterator实例化为int,但是10和5根本不是一个区间,编译时就报错了,故需要增加该构造方法。
(2) T()是什么?
T()是缺省值,注意这里不能给0,因为T可能为自定义类型,当T为内置类型的时候,也ok。因为C++对内置类型进行了升级,也有构造,为了兼容模版。
5. initializer_list 的构造
(1) C++11新增的类模板initializer_list,方便用花括号初始化。
(2) 这里不需要传引用&,因为不涉及拷贝问题,它的内部其实有两个指针,一个指向第一个值的位置,一个指向最后一个值的下一个位置,并且支持迭代器。
vector(initializer_list<T> il)
{
reserve(il.size());
for (auto e:il)
{
push_back(e);
}
}
具体使用:
支持被花括号括起的任意个数的值给 initializer_list
auto il1 = { 1,3,4,5,6,7 };
initializer_list<int> il2 = { 1,2,3 };
//这里的隐式类型转换不一样,参数个数不固定
vector<int> v4 = { 7,8,9,4,5 };//隐式类型转换
vector<int> v5({ 4,5,6 });//直接构造
二,析构函数
<code>~vector()
{
if (_start)
{
delete[] _start;
_start = _finish = _end_of_storage = nullptr;
}
}
三,关于迭代器
iterator begin()
{
return _start;
}
iterator end()
{
return _finish;
}
const_iterator begin()const
{
return _start;
}
const_iterator end()const
{
return _finish;
}
四,有关数据个数与容量
//计算有效数据个数
size_t size()const
{
return _finish - _start;
}
//计算当前容量
size_t capacity()const
{
return _end_of_storage - _start;
}
五,交换函数swap
与string类类似,依然调用库里的swap函数,进行指针的交换。
void swap(vector<T>& v)
{
std::swap(_start, v._start);
std::swap(_finish, v._finish);
std::swap(_end_of_storage, v._end_of_storage);
}
六,赋值拷贝
与string类的现代写法相同。
//赋值拷贝
//v3 = v1;
vector<T>& operator=(const vector<T> v)
{
swap(v);
return *this;
}
七,[ ]运算符
//[]运算符
T& operator[](size_t pos)
{
//断言,避免下标越界
assert(pos < size());
return _start[pos];
}
八,预留空间(扩容)
void reserve(size_t n)
{
//由于开空间后_start指向改变,所以要提前记录原来的有效数据个数
//以便在新空间中更新_finish的位置
size_t old_size = size();
if (n > capacity())
{
T* tmp = new T[n];//开新空间
if (_start)
{
//memcpy(tmp, _start, sizeof(T) * old_size);
for (size_t i = 0; i < old_size; i++)
{
//此时这里的赋值调用的是string的赋值,肯定是深拷贝
tmp[i] = _start[i];
}
delete[] _start;//释放旧空间
}
_start = tmp;//改变指向,指向新空间
//在新空间里更新_finish,_end_of_storage的位置
_finish = _start + old_size;
_end_of_storage = _start + n;
}
}
8.1 使用memcpy拷贝问题(重点)
假设模拟实现的vector中的reserve接口中,使用memcpy进行的拷贝,以下代码会发生什么问题?
int main()
{
bite::vector<bite::string> v;
v.push_back("2222");
v.push_back("2222");
v.push_back("2222");
return 0;
}
问题分析:
(1) memcpy是内存的二进制格式拷贝,按字节拷贝,将一段内存空间中内容原封不动的拷贝到另外一段内存空间中。
(2) 如果拷贝的是自定义类型的元素,memcpy既高效又不会出错,但如果拷贝的是自定义类型元素,并且自定义类型元素中涉及到资源管理时,就会出错,因为memcpy的拷贝实际是浅拷贝。
图解如下:
当把原空间里的"2222"拷贝进新空间后,delete会先对原空间的每个对象调用析构函数,再把原空间销毁,但是此时tmp仍指向那块空间,变成野指针了!
复用赋值进行修改后:
此时这里的赋值调用的是string的赋值,肯定是深拷贝
九,尾插和尾删数据
<code>//尾插数据
void push_back(const T& x)
{
if (_finish == _end_of_storage)
{
size_t newcapacity = capacity() == 0 ? 4 : capacity() * 2;
reserve(newcapacity);
}
*_finish = x;
++_finish;
}
//尾删
void pop_back()
{
//断言,确保有数据可删
assert(size() > 0);
--_finish;
}
十,插入数据 insert
//void insert(iterator pos, const T& x)
iterator insert(iterator pos, const T& x)
{
//断言,判断下标的有效性
assert(pos >= _start && pos <= _finish);
//判断是否扩容
if (_finish == _end_of_storage)
{
size_t len = pos - _start;
size_t newcapacity = capacity() == 0 ? 4 : capacity() * 2;
reserve(newcapacity);
//insert函数的内部迭代器失效问题:类似于野指针问题
//扩容后pos位置失效,需要重新计算pos
pos = _start + len;
}
//挪动数据再插入
iterator end = _finish - 1;
while (end >= pos)
{
*(end + 1) = *end;
--end;
}
*(end + 1) = x;
++_finish;
//返回新插入那个位置的迭代器
return pos;
}
十一,删除数据 erase
iterator erase(iterator pos)
{
assert(pos >= _start && pos < _finish);
iterator end = pos + 1;
while (end != _finish)
{
*(end - 1) = *end;
++end;
}
--_finish;
//返回删除位置的下一个位置的迭代器
return pos;
}
十二,insert和erase的迭代器失效问题(重点)
1. 什么是迭代器失效?
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)。
2. insert 的迭代器失效
2.1 insert 内部pos位置的失效
当刚好执行了扩容操作这一步时,由于要开辟新空间,拷贝数据,释放空间,改变空间指向。但是此时pos位置还在原空间,这就使pos变成了野指针,如果对该位置进行访问,就会导致程序崩溃。
所以在函数内部,扩容后我们要更新pos迭代器!
2.2 insert 以后外部的实参失效
演示代码如下:
<code>void vector_test2()
{
vector<int> v1;
v1.push_back(1);
v1.push_back(2);
v1.push_back(3);
v1.push_back(4);
for (size_t i = 0; i < v1.size(); i++)
{
cout << v1[i] << " ";
}
cout << endl;
//输入x,查找是否存在,如果存在,在该位置前插入10
int x;
cin >> x;
vector<int>::iterator it = find(v1.begin(), v1.end(), x);
//用返回值接收
it = v1.insert(it, 10);
//建议失效后的迭代器不要访问,除非使用返回值。
cout << *it << endl;
for (size_t i = 0; i < v1.size(); i++)
{
cout << v1[i] << " ";
}
cout << endl;
}
insert以后it这个实参会不会失效呢?答案是:会的。
在扩容的时候一定会导致迭代器失效。因为虽然在insert内部形参修正了,但是形参的改变不影响实参。
迭代器失效的建议是:不要使用失效的迭代器!
如果非要访问此时插入的那个位置,必须使用 insert 的返回值,返回的是新插入那个位置的迭代器。
3. erase 以后的迭代器失效
erase 以后的迭代器失效问题比较复杂,它与平台相关。
代码演示如下:
<code>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 it = find(v.begin(), v.end(), 3);
// 删除it位置的数据,导致it迭代器失效。
//v.erase(it); // err
it = v.erase(it); // ok
cout << *it<< endl; // 此处会导致非法访问
return 0;
}
erase 以后it这个实参会不会失效呢?答案是:会的。
erase删除pos位置元素后,it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it刚好是最后一个元素,删完之后it刚好是end的位置,而end位置是没有元素的,那么it就失效了。或者说某个编译器有这样的机制:当删除到一定的数量时,会进行缩容处理,此时it也就相当于野指针了。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,后面元素会牵扯到移动数据,因此删除元素后面的迭代器也会失效。
如果非要访问这个位置,也需要用返回值重新赋值,返回的是删除数据的下一个位置的迭代器!
以下代码的功能是删除vector中所有的偶数:
<code>int main()
{
vector<int> v{ 1, 2, 3, 4 };
auto it = v.begin();
while (it != v.end())
{
if (*it % 2 == 0)
//v.erase(it); // err
it = v.erase(it); // ok
++it;
}
return 0;
}
这个代码在VS平台下一定会运行崩溃!因为删除后it位置已经失效了,此时再对it进行访问(++操作或是解引用操作都是)会程序报错。
但是在Linux下,g++编译器对迭代器失效的检测并不是非常严格,处理也没有vs下极端,所以正常运行。
注意:
与vector类似,string在插入+扩容操作+erase之后,迭代器也会失效,但是string的插入一般由下标控制,虽然也重载了迭代器版本,但是并不常用。
综上所述,迭代器失效解决办法:在使用前,对迭代器重新赋值即可。
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