C++ STL Vector 容器封装与安全
了解 vector 常用接口
vector 是 C++ 标准模板库中的部分内容，它是一个多功能的、能够操作多种数据结构和算法的模板类和函数库。简单来说，vector 是一个能够存放任意类型的动态数组，能够增加和压缩数据。
常见构造
| 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 |
迭代器
| iterator 的使用 | 接口说明 |
|---|---|
| begin + end（重点） | 获取第一个数据位置的 iterator/const_iterator，获取最后一个数据的下一个位置的 iterator/const_iterator |
| rbegin + rend | 获取最后一个数据位置的 reverse_iterator，获取第一个数据前一个位置的 reverse_iterator |
容量操作
| 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 的 size |
| reserve（重点） | 改变 vector 的 capacity |
修改操作
| 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 position 之前插入 val |
| erase | 删除 position 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 |
vector 实现
底层结构
在 C 语言实现当中，vector 实现中并没有迭代器的支持，因此底层结构设计并不复杂。
typedef struct SeqList {
SLDataType* arr;
int size; //有效数据个数
int capacity; //空间大小
} SL;
为了提供迭代器的支持，可以像指针一样遍历数组，因此对 vector 的底层封装采用如下。
template<class T> class vector {
public:
typedef T* iterator;
typedef const T* const_iterator;
//...
private:
//给缺省值
iterator _start = nullptr;
iterator _finish = nullptr;
iterator _end_of_storage = nullptr;
};
迭代器
iterator begin() { return _start; }
iterator end() { return _finish; }
const_iterator begin() const { return _start; }
const_iterator end() const { return _finish; }
memcpy 拷贝问题
void reserve(size_t n) {
if (n > capacity()) {
size_t oldsize = size();
T* tmp = new T[n];
memcpy(tmp, _start, sizeof(T) * oldsize);
delete[] _start;
_start = tmp;
_finish = _start + oldsize;
_end_of_storage = _start + n;
}
}
实际上，上面这段程序在内置类型是不会出问题的，但是针对一些场景（如自定义类型）会报错。
如果 vector 中存的是自定义类型：
- 会导致多次析构；
- 一个数据的修改会影响另一个；
- memcpy 则只能拷贝每个 string，但还是同样指向同一个串。
为了防止浅拷贝问题，如下程序是针对自定义类型的优化。
void reserve(size_t n) {
if (n > capacity()) {
size_t oldsize = size();
T* tmp = new T[n];
//memcpy(tmp, _start, sizeof(T) * oldsize); //err 只能针对内置类型
for (size_t i = 0; i < oldsize; ++i) {
tmp[i] = _start[i]; //内置类型不会有问题
//自定义类型调用其=运算符重载函数走深拷贝，防止 memcpy 出现的问题
}
delete[] _start;
_start = tmp;
_finish = _start + oldsize;
_end_of_storage = _start + n;
}
}
结论： 如果对象中涉及到资源管理时，千万不能使用 memcpy 进行对象之间的拷贝，因为 memcpy 是浅拷贝，否则可能会引起内存泄漏甚至程序崩溃。
迭代器失效问题
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）。对于 vector 可能会导致其迭代器失效的操作有：
- 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。
void insert(iterator pos, const T& x) {
assert(pos < _finish);
assert(pos >= _start);
if (size() == capacity()) {
reserve(capacity() == 0 ? 4 : 2 * capacity());
}
iterator it = _finish - 1;
while (it >= pos) {
*(it + 1) = *it;
--it;
}
*pos = x;
++_finish;
}
在上面这段程序中，由于容量满了需要进行扩容，开辟一段新空间，将旧空间的元素拷贝到新空间上来，并更新_start，_finish，_end_of_storage。但如果迭代器 it 指向旧空间上的开始位置，此时进行 *it 会导致野指针解引用问题，这也就是所谓的迭代器失效了。
那该如何解决呢？更新迭代器指向的位置。
void insert(iterator pos, const T& x) {
assert(pos < _finish);
assert(pos >= _start);
//防止迭代器失效
if (size() == capacity()) {
size_t len = pos - _start;
reserve(capacity() == 0 ? 4 : 2 * capacity());
pos = _start + len;
}
//...
}
更新了迭代器位置后，解引用还是会报错，这是为什么呢？这里看似解决了问题，但是别忘了形参的改变并不能影响实参，即实参中的迭代器依然指向旧空间的位置，依旧会使迭代器失效。那我让形参的改变影响实参可行吗，即加上引用呢？
void insert(iterator& pos, const T& x)
而我们设计初心是想要 pos 可以随意访问数组中的元素，当想访问数组中的第三个元素时
v.insert(v.begin()+3, 3);
由于是左值引用右值，需要是 const 左值引用才能引用右值，那么再进行更改。
void insert(const iterator& pos, const T& x)
这里会发现由于 const 的修饰，会导致 insert 函数内部是无法修改迭代器 pos 位置的，因此这种方案也是不可取的。
总之，insert 以后，默认迭代器都失效了（尽管在 insert 函数里修复了迭代器指向位置，但由于形参并不会实参）。
指定位置元素的删除操作 --> erase
void erase(iterator pos) {
assert(pos < _finish);
assert(pos >= _start);
iterator it = pos + 1;
while (it < _finish) {
*(it - 1) = *it;
++it;
}
--_finish;
}
这里的删除依然存在着一个隐秘的问题。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（即 it 和_finish 刚好错过了，循环判断依然成立，此时继续执行会出现错误）。
按照上面的说法，那么改下判断条件不就能使 it 等于_finish 了吗？但运行之后依然会报错，这是因为 删除 vector 中任意位置上元素时，Visual Studio 环境下检查严格。即在 VS 下检查严格。（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）
auto it = v1.begin();
while (it != v1.end()) {
if (*it % 2 == 0) {
v1.erase(it);
} else {
++it;
}
}
因此，使用 erase 接口时并不能依赖于编译器，应注意需要手动更新迭代器防止迭代器失效问题。
在 stl 库中也是这么解决的。
迭代器失效解决办法：在使用前，对迭代器重新赋值即可。
auto it = v1.begin();
while (it != v1.end()) {
if (*it % 2 == 0) {
it = v1.erase(it);
} else {
++it;
}
}
与 vector 类似，string 在插入 + 扩容操作 + erase 之后，迭代器也会失效
总的来说：vector 特别需要注意的是在使用 insert 和 erase 接口应注意迭代器失效问题，这样才能让我们在使用 stl 库接口时应对自如。
initializer_list 实现
void push_back(const T& x) {
if (size() == capacity()) {
reserve(capacity() == 0 ? 4 : 2 * capacity());
}
*_finish = x;
_finish++;
}
vector(initializer_list<T> il) {
reserve(il.size());
for (auto& ch : il) {
push_back(ch);
}
}