C++ vector用法詳解

2021-02-19 科學計算Tech
vector概述

  vector是種容器，類似數組一樣，但它的size可以動態改變。

  vector的元素在內存中連續排列，這一點跟數組一樣。這意味著我們元素的索引將非常快，而且也可以通過指針的偏移來獲取vector中的元素。

  但連續排列也帶來了弊端，當我們向vector中間插入一個數據時，整個vector的size變大，在內存中就需要重新分配空間，常規的做法是直接申請一個新的array，並將所有元素拷貝過去；但這麼做的話，無疑太浪費時間，因此vector採用的做法是：vector會分配額外的空間，以適應size的動態增長。因此，包含同樣數量元素的vector和數組相比，佔用的空間會更大。而且在vector最後增加或者刪除一個元素，消耗的時間是一個常數值，與vector的size無關。

  與其他容器（deques、lists、forward_lists）相比，vector在獲取元素和對最後一個元素的操作效率上更高；但對於中間元素的操作，性能則相對較差。

vector的使用頭文件

#include <vector>

創建vector對象

std::vector<int> vec1;                                // 空的vector，數據類型為int
std::vector<int> vec2(4);                             // 4個值為0的vector
std::vector<int> vec3 (4,10);                         // 4個值為10的vector [10 10 10 10]
std::vector<int> vec4 (vec3.begin(),vec3.end());      // [10 10 10 10]
std::vector<int> vec5 (vec3);                         // [10 10 10 10]
std::vector<int> vec6 = {10, 20, 30, 40};             // [10 20 30 40]

屬性及操作

Iterators

NameDescriptionbegin返回指向迭代器第一個元素的指針end返回指向迭代器最後一個元素的指針rbegin返回迭代器逆序第一個元素的指針rend返回迭代器逆序最後一個元素的指針cbegin返回常量迭代器的第一個元素的指針cend返回常量迭代器的最第一個元素的指針crbegin返回常量迭代器逆序的第一個元素的指針crend返回常量迭代器逆序的最後一個元素的指針




Capacity

NameDescriptionsize返回當前vector使用數據量的大小max_size返回vector最大可用的數據量resize調整vector中的元素個數capacity返回vector中總共可以容納的元素個數empty測試vector是否是空的reserve控制vector的預留空間shrink_to_fit減少capacity到size的大小




Element access

NameDescriptionoperator[]在[]中可以做運算atvector.at(i)相當於vector[i]front返回第一個元素的值back返回最後一個元素的值data返回指向vector內存數據的指針




Modifiers

NameDescriptionassign指定vector內容push_back在容器的最後一個位置插入元素xpop_back刪除最後一個元素insert插入元素erase擦除元素swap交換兩個容器的內容clear將容器裡的內容清空，size值為0，但是存儲空間沒有改變emplace插入元素（與insert有區別）emplace_back在容器的最後一個位置插入元素x(與push_back有區別)




Allocator

NameDescriptionget_allocator返回vector的內存分配器




具體使用方法

Iterators

  Iterators使用方式比較簡單，下面的程序也很直觀的展現了它們的用法。其中it3和it4在for中使用auto來定義，使用更加方便。

#include <iostream>
#include <vector>

using namespace std;

int main() {
    vector<int> vec0;

    for (int i = 0; i < 10; ++i) {
        vec0.push_back(i);            //[0,1,2,3,4,5,6,7,8,9]
    }

    vector<int>::iterator it1;
    for (it1 = vec0.begin(); it1 != vec0.end(); ++it1) {
        cout << ' ' << *it1 << endl;   //[0,1,2,3,4,5,6,7,8,9]
    }

    vector<int>::reverse_iterator it2;
    for (it2 = vec0.rbegin(); it2 != vec0.rend(); ++it2) {
        cout << ' ' << *it2 << endl;   //[9,8,7,6,5,4,3,2,1,0]
    }

    for (auto it3 = vec0.cbegin(); it3 != vec0.end(); ++it3) {
        cout << ' ' << *it3 << endl;    //[0,1,2,3,4,5,6,7,8,9]
    }

    for (auto it4 = vec0.crbegin(); it4 != vec0.crend(); ++it4) {
        cout << ' ' << *it4 << endl;    //[9,8,7,6,5,4,3,2,1,0]
    }

    return 0;
}

  如果是vec0.begin()+1,則表示從第二個元素開始。

Capacity

  Capacity中的幾個函數，從描述上看有點模糊，下面我們具體解釋一下。

  

size返回的是當前vector中有多少元素；

max_size返回的是最大可用的數據量，這跟實際的硬體有關，但也並不是所有的內存空間都可用，比如下面程序中的運行的內存大小為32GByte,但返回的結果是4GByte；

capacity是當前vector分配的可以容納的元素個數，下面的代碼中，vec0可以容納13個元素，但僅包含了size(即10)個元素，還有3個元素可以放進去，當再放入超過3個元素後，vec0就會被重新分配空間；所以，capacity始終大於等於size；

resize把容器改為容納n個元素。調用resize之後，size將會變為n；其中n又分了三種情況，當n

<size時，容器尾部的元素會被銷毀，capacity保持不變；當size<n≤capacity時，新增加的元素都是0，capacity保持不變；當n style="font-size: inherit;color: inherit;line-height: inherit;">capacity時，size和capacity同時變為n，新增加的元素都是0；</size時，容器尾部的元素會被銷毀，capacity保持不變；當size<n≤capacity時，新增加的元素都是0，capacity保持不變；當n>

empty比較簡單，當vector為空時，返回1，不為空返回0；

shrink_to_fit，去掉預留的空間，capacity與size保持一致

#include <iostream>
#include <vector>

using namespace std;

int main() {
    vector<int> vec0;
    cout << "vec0 empty status:" << vec0.empty() << endl;   // 1

    for (int i = 0; i < 10; ++i) {
        vec0.push_back(i);            //[0,1,2,3,4,5,6,7,8,9]
    }

    cout << "vec0 empty status:" << vec0.empty() << endl;   // 0

    //Capacity-
    cout << "vec0 size:" << vec0.size() << endl;          //10
    cout << "vec0 max size:" << vec0.max_size() << endl;  //1073741823 = 4GByte
    cout << "vec0 capacity:" << vec0.capacity() << endl;  //13
    vec0.resize(20);
    cout << "new size:" << vec0.size() << "  new capacity:" << vec0.capacity() << endl;  //20 20
    vec0.resize(5);
    cout << "new size:" << vec0.size() << "  new capacity:" << vec0.capacity() << endl;  // 5 20
    vec0.shrink_to_fit();
    cout << "new size:" << vec0.size() << "  new capacity:" << vec0.capacity() << endl;  // 5 5

    return 0;
}

#include <iostream>
#include <vector>

using namespace std;

int main() {
    //reserve----
    std::vector<int> vec0;
    int sz;
    sz = vec0.capacity();
    std::cout << "making vec0 grow:\n";
    for (int i = 0; i < 100; ++i) {
        vec0.push_back(i);
        if (sz != vec0.capacity()) {
            sz = vec0.capacity();
            std::cout << "capacity changed: " << sz << '\n';
        }
    }

    std::vector<int> vec1;
    sz = vec1.capacity();
    vec1.reserve(100);   // this is the only difference with vec0 above
    std::cout << "making vec1 grow:\n";
    for (int i = 0; i < 100; ++i) {
        vec1.push_back(i);
        if (sz != vec1.capacity()) {
            sz = vec1.capacity();
            std::cout << "capacity changed: " << sz << '\n';
        }
    }
    return 0;
}

列印結果為：

making vec0 grow:
capacity changed: 1
capacity changed: 2
capacity changed: 3
capacity changed: 4
capacity changed: 6
capacity changed: 9
capacity changed: 13
capacity changed: 19
capacity changed: 28
capacity changed: 42
capacity changed: 63
capacity changed: 94
capacity changed: 141
making vec1 grow:
capacity changed: 100

Element access

  vector元素獲取的使用方法也比較簡單，下面的代碼可以很好的展示：

vector<int> vec0;
for (int i = 0; i < 10; ++i) {
    vec0.push_back(i);            //[0,1,2,3,4,5,6,7,8,9]
}

for (unsigned int i = 0; i < vec0.size(); ++i) {
        cout << vec0.at(i) << endl;       //[0,1,2,3,4,5,6,7,8,9]
    }

    cout << "front element:" << vec0.front() << endl;  //0
    cout << "back element:" << vec0.back() << endl;    //9

    vector<int>vec1(5);             // [0,0,0,0,0]
    int *p = vec1.data();           // vec1 must not be empty
    for (unsigned int i = 0; i < vec1.size(); ++i) {
        *p = i;
        ++p;
    }
    for (unsigned int i = 0; i < vec1.size(); ++i) {
        cout << vec1[i] << endl;    // [0,1,2,3,4]
    }

Modifiers

  assign主要有三種用法，如下面的demo所示：

vector<int> vec1;
vector<int> vec2;
vector<int> vec3;

vec1.assign(5, 10);               //[10,10,10,10,10]

vector<int>::iterator it;
it = vec1.begin() + 1;

vec2.assign(it, vec1.end() - 1);  //[10,10,10]

int arr[] = { 10,20,30,40};
vec3.assign(arr, arr + 4);        //[10,20,30,40]

  push_back和pop_back用法比較簡單

vec0.push_back(55);
cout << "Last element:" << vec0.back() << "  size: " << vec0.size()<< endl;  //55 11
vec0.pop_back();
cout << "Last element:" << vec0.back() << "  size: " << vec0.size() << endl; //9 10

  在vector中，有插入元素功能的函數有四個：push_back、insert、emplace和emplace_back，其中push_back上面講了，emplace_back是在C++11中引入的，用法跟push_back完全一樣，都是在vector的最後插入一個元素。

vec3.emplace_back(100);

那為什麼要引入一個用法完全一樣的函數？因為它們的底層實現方式不同，push_back向容器尾部添加元素時，然後再將這個元素拷貝或者移動到容器中（如果是拷貝的話，事後會自行銷毀先前創建的這個元素）；而 emplace_back 在實現時，則是直接在容器尾部創建這個元素，省去了拷貝或移動元素的過程。

  insert和emplace(C++11中引入)都可以向vector中間插入元素，但insert可以插入多個元素，emplace一次只能插入一個元素。

  insert有三種用法：

在指定位置loc前插入值為val的元素,返回指向這個元素的迭代器,

在指定位置loc前插入num個值為val的元素

在指定位置loc前插入區間[start, end)的所有元素

// method1
vector<int> vec1;
int arr[] = { 1,2,3,4,5 };
vec1.insert(vec1.begin(), arr, arr + 5);     //[1,2,3,4,5]

// method2
vector<int> vec2(vec1); 
vector<int>::iterator it = vec1.begin() + 2;
vec1.insert(it, 3, 20);                      // [1,2,20,20,20,3,4,5]

// method3
vector<int> vec3(3, 40);
vector<int>::iterator it2 = vec2.begin();
vec2.insert(it2, vec3.begin(), vec3.end());  // [40,40,40,1,2,3,4,5]

  emplace的使用方式為：

iterator emplace (const_iterator pos, args...);

vector<int> vec0{1,2,3};
vec0.emplace(vec0.begin()+2,10);    //[1,2,10,3]

  若都是插入一個元素的情況下，該使用哪個函數呢？當然是C++11中新引入的emplace，emplace在插入元素時，在指定位置直接構造元素，而insert是生成元素，再將其賦值或移動到容器中。

  vector中有三種可以刪除元素的操作，第一種就是我們上面講到的pop_back，刪除最後一個元素，無返回值；第二種是clear，將容器清空，size變為0，無返回值；第三種是erase，通過迭代器來刪除元素，可以刪除一個元素，也可以刪除某個範圍內的元素，返回下一個位置的迭代器。

vector<int> vec0{ 1,2,3,4,5,6,7,8,9,10};
//for (int i = 0; i < 4; ++i) {
//    vec0.pop_back();
//}
vec0.erase(vec0.begin() + 3);               // [1,2,3,5,6,7,8,9,10]
vec0.erase(vec0.begin(), vec0.begin() + 5); // [7,8,9,10]
//vec0.clear();

  swap的用法也比較簡單，就是交換兩個vector的內容

vector<int> vec1{ 1,2,3,4,5 };
vector<int> vec2{ 10,20,30 };
vec1.swap(vec2);

Allocator

  get_allocator用的不是特別多，我們把使用方法講一下。

vector<int> myvector;
int * p;
unsigned int i;

// 使用Allocator為數組分配5個元素的空間
p = myvector.get_allocator().allocate(5);


for (i=0; i<5; i++) myvector.get_allocator().construct(&p[i],i);

std::cout << "The allocated array contains:";
for (i=0; i<5; i++) std::cout << ' ' << p[i];    //[0,1,2,3,4]


for (i=0; i<5; i++) myvector.get_allocator().destroy(&p[i]);
myvector.get_allocator().deallocate(p,5);

二維數組

  上面我們講的，都相當於是一維數組，vector還支持二維數組，但這種二維數組是通過嵌套的方式來實現，並不像Python或者Matlab的矩陣那麼直觀。

vector<vector<int>> arr(3);
for (int i = 0; i < 3; ++i) {
    arr[i].resize(3);           //3x3 array
}
for (int i = 0; i < 3; ++i) 
    for (int k = 0; k < 3; ++k) 
        arr[i][k] = i * k;      // 賦值
arr.resize(4);                  // 二維數組包含4個變量
arr[2].resize(5);               // 第3個變量包含5個變量

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