容器扩容机制扩容器怎么用

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mob64ca13fa6a3c 2024-06-28 13:39:14

文章标签 容器扩容机制 c++ 算法数据结构迭代器 文章分类 云原生云计算

STL vector扩容

vector容器

vector被称为向量容器，该容器擅长在尾部插入或删除元素，时间复杂度为O(1)；而对于在vector容器头部或者中部插入或删除元素，则花费时间要长一些（移动元素需要耗费时间），时间复杂度为线性阶O(n)。使用vector容器，需要包含<vector>，注意这里无扩展名。

STL中规定容器的区间遵循前闭后开原则，即容器中的一对迭代器start和finish标识的前闭后开区间，从start开始，直到finish-1.迭代器finish所指的是“最后一个元素的下一位置”。这样定义的好处主要有两点：

为“遍历元素时，循环的结束时机”提供一个简单的判断依据。只要尚未到达end()，循环就可以继续下去;
不必对空区间采取特殊处理手段。空区间的begin()就等于end();

class vector {
    ……
public:
    /**
     * begin()函数源码
     * 用于返回start迭代器
     **/
    iterator begin() {
        return start;
    }

    /**
     * end()函数源码
     * 用于返回finish迭代器
     **/
    iterator end() {
        // STL容器的前闭后开原则，end迭代器并不指向最后一个元素 而是最后一个元素的后面
        return finish;
    }

    /**
     * size()函数源码
     * 用于返回start-end的值——已保存的元素个数
     **/
    size_type size() const {  // 返回start-end的值 即已保存的元素个数
        return size_type(end() - begin());
    }

    /**
     * capacity()函数源码
     * 返回end_of_storage - start的值——vector能够保存元素上限
     **/
    size_type capacity() const {  // 返回end_of_storage - start的值， 即vector能够保存元素上限
        return size_type(end_of_storage - begin());
    }

    /**
     * empty()函数源码
     * 通过判断start迭代器与finish迭代器是否相等，返回vector是否为空
     **/
    bool empty() const { 
        return begin() == end();
    }

    /**
     * []操作符重载
     * 实现根据下标取元素
     **/
    reference operator[](size_type n) {
        return *(begin() + n);
    }

    /**
     * front函数源码
     * 根据start迭代器，返回第一个元素的值
     **/
    reference front() {  
        return *begin();
    }

    /**
     * back函数源码
     * 根据finish迭代器，返回最后一个元素的值
     * 由于finish迭代器指向的是最后一个元素的后一个位置(STL容器的前闭后开原则)，因此这里需要用finish-1获取最后一个元素的位置
     **/
    reference back() {  // 返回最后一个要素
        return *(end() - 1);
    }
};

扩容策略

vector属于序列式容器(sequence_container)：其中的元素都可序，但未必有序。

如图所示，vector的内存模型与数组较为相似，但vector的内存模型是动态增长的线性空间，动态增长的实质是：需求空间超过当前可用空间后，不是在原空间之后接续新空间。这是因为线性空间后不一定有足够大小的空间，因此重新申请一块更大的空间来作为载体，然后复制已有数据到新申请的内存空间。

start：表示目前使用空间的头。
finish：目前使用空间的尾。
end_of_storage：目前可用空间的尾。

注意，目前使用空间和目前可用空间是有区别的

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具体操作为：首先配置一块新空间，然后将元素从原空间搬到新的空间上，再把原空间释放。（涉及到了新空间的配置和旧空间的释放）

新空间的大小为一般为原空间大小的二倍。注意：二倍增长并不是必然的，不同的编译环境可以有不同的实现，但若增长倍数小于2则可能会导致扩容频繁；增长倍数较大则可能导致申请了较大的空间而未使用，从而造成浪费。

vector如何做到随机访问？‘[]’操作符

vector可以像数组一样，支持使用’[]'操作符根据下标获取元素。简单来讲，vector中元素大小固定，在知道start的基础上，我们只需要在其基础上进行地址偏移就能找到所需元素。

reference operator[](size_type n){
    return *(begin() + n);
}

迭代器失效

需要注意的是，对vector的操作如果引起的空间重新分配，那么原vector的所有迭代器就都失效。因此，如果我们将vector的迭代器保存到变量中时，可能会因为空间重新分配导致该变量保存的迭代器失效，解决迭代器失效可以参考：c++迭代器失效的几种情况总结

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

int main()
{
    vector<int> vec;
    vec.push_back(0);
    auto iter = vec.begin();  // 使用变量保存迭代器
    cout<< *iter << endl;
    for(int i = 0; i < 10; i++)  // 可能会引起vector空间重新分配的代码段
    {
        vec.push_back(i);
    }
    cout<< *iter << endl;  // 原迭代器失效，此处异常中断
}

vector常用元素的操作方法

push_back(const T& x)

将新元素插入vector的尾端，在插入时需要关注两种情况：即vector当前是否还有空间，如果有则直接在备用空间上构造元素，调整迭代器finish；若没有，则需要扩充空间。

push_back源码：

void push_back(const T& x) {
    if(finish != end_of_storage)
    {
        constrcut(finish,x);
        ++finish;
    }
    else
    {
        insert_aux(end(),x);
    }
}

insert_aux源码：

template<class T>
void insert_aux(iterator position, const T& x) {
    if(finish != end_of_storage) {										
        // 有备用空间	
    }
    else {
        // 获取当前vector的元素个数
        const size_type old_size = size();  
        // 计算扩展后的vector空间
        // 若扩充前vector是空的，则配置申请一个元素的空间
        // 若扩充前vector非空，则按照二倍扩充原则进行扩充
        const size_type len = old_size != 0 ? 2 * old_size : 1;  

        // 分配器allocator配置新空间
        // new_start和new_finish迭代器指向新分配的空间起点
        iterator new_start = data_allocator::allocate(len);  
        iterator new_finish = new_start;
        try {
            // 拷贝原vector中start到position区间的元素到new_start迭代器所指处 
            // push_back函数中调用insert_aux(end(),x)，因此position就是finish迭代器，这里就将原vector的所有元素拷贝过来
            // 执行后 new_finish迭代器就指向了原vector的所有元素拷贝到新位置的末尾
            new_finish = uninitialized_copy(start,position,new_start);	
            // 在new_finish处构造新元素x
            construct(new_finish,x);	
            // new_finish向后移一个位置	
            ++new_finish;
            // 再将原vector的position到finish区间的元素拷贝到new_finish迭代器所指处		
            // push_back函数中调用insert_aux(end(),x)，因此position就是finish迭代器，这里元素区间是空										    
            new_finish = uninitialized_copy(position,finish,new_finish); 
        }
        catch(...) {
            // 异常时回滚
            destroy(new_start,new_finish);
            data_allocator::dellocate(new_start,len);
            throw;
        }
        // 析构并释放原vector
        destroy(begin(),end());
        deallocate();
        // 为start和finish迭代器赋新值
        start = new_start;
        finish = new_finish;
        end_of_storage = new_start + len;
    }
}

pop_back()

删除尾端元素时，调整迭代器并释放即可，不需要空间分配

void pop_back() {
    --finish;		   //调整末端位置迭代器
    destroy(finish);	//释放尾端元素的资源
}

iterator erase(iterator first,iterator last)

用于删除vector容器中的一段区间的元素，返回指向删除的区间起点迭代器

// 删除某段元素 参数为需要删除段的迭代器起点和终点
iterator erase(iterator first,iterator last) {
    iterator i = copy(last, finish, first);	//将后面的元素前移
    destroy(i,finish);						//释放其后元素
    finish = finish - (last - first);		//调整迭代器
    return first;
}

iterator erase(iterator position)

用于删除vector容器中的一个元素，返回指向被删除元素位置迭代器

// 删除某个元素 参数为需要删除的元素迭代器
iterator erase(iterator position) {	
    if(position + 1 != end()) {
        copy(position + 1,finish,position); // 将position后的元素整体向前移动
    }
    --finish;  // 迭代器前移
    destroy(finish);  
    return position;
}

void insert(iterator position, size_type n, const T& x)

在指定位置position前插入n个值为x的元素,返回指向这个元素的迭代器

由于vector中的元素顺序存储，所以随机插入元素的操作相对比较麻烦：

void insert(iterator position, size_type n, const T& x)
{
    if(n != 0)
    {
        if(size_type(end_of_storage - finish) >= n) {  // vector当前备用空间大于n时
            T x_copy = x;
            const size_type elems_after = finish - position;  // 计算需要移动元素的个数
            iterator old_finish = finish;
            if(elems_after > n) {  // 如果需要移动的元素个数 大于插入的元素数量
                // 将finish-n 到 finish区间内的数据拷贝到finish后 
                // 注意：这里只拷贝了倒数n个元素 而不是elems_after个元素
                uninitialized_copy(finish - n,finish,finish);  
                finish += n;  // 更新finish迭代器，此时finish的位置为插入n个元素后的为位置
                // 再将position 到 old_finish区间的元素移动到old_finish后
                copy_backward(postion,old_finish - n,old_finsh);
                // 最后 在position后填充n个x元素
                fill(position,position + n,x_copy);
                // 可参考下图情况1
            }
            else {  // 如果需要移动的元素个数 小于插入的元素数量
                // 在finish后 填充n - elems_after个元素，
                uninitialized_fill_n(finish,n - elems_after, x_copy); 
                finish += n - elems_after;  // 调整finish 此时finish的位置不是最终的位置
                //  将position 到 old_finish区间内的元素拷贝到finish后
                uninitialized_copy(position,old_finish,finish);
                finish += elems_after;  // 继续调整finish 
                fill(position,old_finish,x_copy);  // 将position到old_finish区间内填充为 x
                // 可参考下图情况2
            }
        }
        else {  // vector当前备用空间小于n时
            const size_type old_size = size();
            const size_type len = old_size + max(old_size,n);
            
            // 配置新空间（同上）
            iterator new_start = data_allocator::allocate(len);				
            iterator new_finish = new_start;
            // 分三段复制到新vector
            {
                //插入点之前的元素复制到新vector
                new_finish = uninitialized_copy(start,position,new_start);	
                //新增元素填入	
                new_finish = uninitialized_fill_n(new_finish,n,x);		
                // 插入点之后的元素复制到新vector		
                new_finish = uninitialized_copy(position,finish,new_finish);	
            }
            // 析构并释放原vector
            destroy(begin(),end());
            deallocate();
            // 调整迭代器
            start = new_start;
            finish = new_finish;
            end_of_storage = new_start + len;
            // 可参考下图情况3
        }
    }
}

情况1：

容器扩容机制扩容器怎么用_算法_02

情况2：

容器扩容机制扩容器怎么用_数据结构_03

情况3

容器扩容机制扩容器怎么用_算法_04

倍数扩容和等长扩容

向vector中插入元素时，如果元素有效个数size与容量capacity相等时vector内部就会触发扩容机制

扩容机制：开辟新空间，拷贝元素，释放旧空间【频繁扩容会导致效率变低，所以在创建vector数组的时候要预估元素个数】

等长扩容

vector插入100个元素等长扩容（k=10）需要扩容十次，而且每次都需要将元素从旧空间搬到新空间

倍数扩容

原理：申请新空间、拷贝元素、释放空间

理想情况：在某一次扩容之后可以复用之前的空间

例如二倍扩容时，在第四次扩容（前面已经释放1+2的空间，第三次空间释放后就有1+2+4空间，因为二倍扩容每次新内存一定大于前面的总和，所以不能实现复用）即如果倍数超过2（包括2），无法使用到已经释放的内存，而且可能空间浪费高（例如扩容申请64，但是只使用了33）所以使用1.5倍扩容（1。2。3。4。1+2+3）几次扩容之后就可以进行空间的复用