【STL深入理解】vector

这篇文章不打算讲述vector的基本用法，而是总结一下近期我大量阅读C++经典书籍时遇到的一些关于vector的容易忽略的知识点，特意将它们记录下来，以便以后查阅。

1.v[0]和v.at(0)的区别

void f(vector<int>& v)
{
    v[0];  //A
    v.at(0);  //B
}

观察该函数，我们使用A和B的形式来访问v的元素，他们有什么区别？他们唯一区别就是如果v空则B会抛出std::out_of_range的异常，至于A行为标准未加任何说明。所以B方式可以防止越界操作，但是B方式较A方式效率要低（因为加入了越界检查）。

2.resize()和reserve()是不同的操作

int main()
{
    vector<int> v;
    v.reserve(2);
    cout << "capacity: " << v.capacity() << endl;
    assert(v.capacity() == 2);
    v[0] = 1;  //A
    v[1] = 2;  //B

    return 0;
}

上面的代码是有问题的，我在VS2015下进行编译运行时弹出“vector越界访问”的错误。那该段程序错在哪里？

1. 首先这里的断言可能会失败。因为reserve操作将保证vector容量>=2。而且这里的断言也是多余的。
2. 然后A和B的复制是有问题的，因为该程序忽视了resize/size和reserve/capacity的区别。size()告诉你容器中实际有多少个元素，resize()则会在容器末尾添加或者删除元素，使得容器达到指定大小；capacity()告诉你最少添加多少个元素才会导致容器的重新分配内存，而reserve()在必要时候总是容器内部缓冲区扩至一个更大的内容，reserve()并不改变容器中元素的数量，它仅影响vector预先分配多大的内存空间。

所以上面的代码修改可以这么做：

int main()
{
    vector<int> v;
    v.resize(2);

    v[0] = 1;
    v[1] = 2;

    return 0;
}

或者使用pushback()来添加元素。

3.vector增长的方式

上面第二点说了vector中size()和capacity()是不同的意思，造成这一现象的原因就是vector的的增长方式有些不同。用一句话来总结vector的的增长方式就是“重新配置，移动数据，释放原空间”。

标准库实现者为了尽量减少容器空间重新分配次数，他们采取这样一种策略：当不得不获取新的内存空间时，vector通常会分配比新的空间需求更大的内存空间。容器预留这些空间作为备用，可以用来保存更多的元素。这样，就不需要每次添加新元素都重新分配容器空间了。上面说到“容器预留这些空间作为备用”，这里的预留空间时多少呢？根据《STL源码剖析》的说法，当增加新元素时，如果超过当时的容量，则容量会扩充至原理容量的2倍；如果两倍仍不足，就扩张到足够大的容量。

vector中有三个重要迭代器：

以下图像形象表示出vector的增长方式以及size与capacity的区别。

为了验证vector内存容量的增长策略，我特意做了以下实验。

以下代码在centos 7下编译运行，其显示结果与《STL源码剖析》说法一致。

#include <iostream>
#include <vector>

using namespace std;

//在g++ (GCC) 4.8.5 20150623 (Red Hat 4.8.5-11)下编译运行
int main()
{
    vector<int> v(2,9);  //9 9
    cout << "size=" << v.size() << endl;  //size=2
    cout << "capacity=" << v.capacity() << endl; //capacity=2

    v.push_back(1);  //9 9 1
    cout << "size=" << v.size() << endl;  //size=3
    cout << "capacity=" << v.capacity() << endl; //capacity=4
    
    v.push_back(2); //9 9 1 2
    cout << "size=" << v.size() << endl;  //size=4
    cout << "capacity=" << v.capacity() << endl; //capacity=4

    v.push_back(3);  //9 9 1 2 3
    cout << "size=" << v.size() << endl;  //size=5
    cout << "capacity=" << v.capacity() << endl; //capacity=8

    v.push_back(4);  //9 9 1 2 3 4
    cout << "size=" << v.size() << endl;  //size=6
    cout << "capacity=" << v.capacity() << endl; //capacity=8

    v.push_back(5);  // 9 9 1 2 3 4 5
    cout << "size=" << v.size() << endl;  //size=7
    cout << "capacity=" << v.capacity() << endl; //capacity=8

    v.pop_back();
    v.pop_back();
    cout << "size=" << v.size() << endl;  //size=5
    cout << "capacity=" << v.capacity() << endl; //capacity=8

    v.pop_back();
    v.pop_back();
    cout << "size=" << v.size() << endl;  //size=3
    cout << "capacity=" << v.capacity() << endl; //capacity=8

    v.clear();
    cout << "size=" << v.size() << endl;  //size=0
    cout << "capacity=" << v.capacity() << endl; //capacity=8

    return 0;
}

但是在VS2015下编译运行，效果就不一样了。

查阅资料知道，这里容量增长方式是：每次扩容50%

依次看来，在VS2015下采用的标准库版本与Linux下的版本应该是不一样的。

4.迭代器失效情况总结

对于vector而言，添加和删除操作可能使容器的部分或者全部迭代器失效。为什么迭代器会失效呢？vector元素在内存中是顺序存储，试想：如果当前容器中已经存在了10个元素，现在又要添加一个元素到容器中，但是内存中紧跟在这10个元素后面没有一个空闲空间，而vector的元素必须顺序存储一边索引访问，所以我们不能在内存中随便找个地方存储这个元素。于是vector必须重新分配存储空间，用来存放原来的元素以及新添加的元素：存放在旧存储空间的元素被复制到新的存储空间里，接着插入新的元素，最后撤销旧的存储空间。这种情况发生，一定会导致vector容器的所有迭代器都失效。

先看一个错误的例子：

vector<mission>::iterator itr = vm.begin();  
while (itr != vm.end())  
{  
    if ((*itr).getStartTime() <= nowTime)  
    {  
        vm.erase(itr);  
    }  
    itr++;  
}  

这段代码运行起来会crash，其原因当然是迭代器失效了，我们还用了它。

因为在erase操作后，原迭代器是相当于一个野指针的状态，对其++必定出错。
而erase的返回值就是指向被删除的元素的下一个元素的迭代器，我们没必要再次++了。

正确写法：

vector<mission>::iterator itr = vm.begin();  
while (itr != vm.end())  
{  
    if ((*itr).getStartTime() <= nowTime)  
    {  
        itr = vm.erase(itr);  
    }  
    else  
    {  
        itr++;  
    }  
}  

vector迭代器的几种失效的情况：

1. 当插入一个元素后，插入位置之后的元素迭代器肯定失效。
2. 当插入一个元素后，capacity返回值与没有插入元素之前相比有改变(即存储空间重新分配)，则需要重新加载整个容器，此时指向容器的迭代器都会失效。
3. 当进行删除操作（erase，pop_back）后，指向删除点的迭代器全部失效；指向删除点后面的元素的迭代器也将全部失效。