STL vector用法介绍

介绍

这篇文章的目的是为了介绍std::vector，如何恰当地使用它们的成员函数等操作。本文中还讨论了条件函数和函数指针在迭代算法中使用，如在remove_if()和for_each()中的使用。通过阅读这篇文章读者应该能够有效地使用vector容器，而且应该不会再去使用C类型的动态数组了。

Vector总览

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。vector之所以被认为是一个容器，是因为它能够像容器一样存放各种类型的对象，简单地说，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。

为了可以使用vector，必须在你的头文件中包含下面的代码：

#include <vector>

 

vector属于std命名域的，因此需要通过命名限定，如下完成你的代码：

using std::vector;

vector<int> vInts;

 

或者连在一起，使用全名：

std::vector<int> vInts;

 

建议使用全局的命名域方式：

using namespace std;

 

在后面的操作中全局的命名域方式会造成一些问题。vector容器提供了很多接口，在下面的表中列出vector的成员函数和操作。

 

Vector成员函数

函数

表述

c.assign(beg,end)

c.assign(n,elem)

将[beg; end)区间中的数据赋值给c。

将n个elem的拷贝赋值给c。

c.at(idx)

传回索引idx所指的数据，如果idx越界，抛出out_of_range。

c.back()

传回最后一个数据，不检查这个数据是否存在。

c.begin()

传回迭代器重的可一个数据。

c.capacity()

返回容器中数据个数。

c.clear()

移除容器中所有数据。

c.empty()

判断容器是否为空。

c.end()

指向迭代器中的最后一个数据地址。

c.erase(pos)

c.erase(beg,end)

删除pos位置的数据，传回下一个数据的位置。

删除[beg,end)区间的数据，传回下一个数据的位置。

c.front()

传回第一个数据。

get_allocator

使用构造函数返回一个拷贝。

c.insert(pos,elem)

c.insert(pos,n,elem)

c.insert(pos,beg,end)

在pos位置插入一个elem拷贝，传回新数据位置。

在pos位置插入n个elem数据。无返回值。

在pos位置插入在[beg,end)区间的数据。无返回值。

c.max_size()

返回容器中最大数据的数量。

c.pop_back()

删除最后一个数据。

c.push_back(elem)

在尾部加入一个数据。

c.rbegin()

传回一个逆向队列的第一个数据。

c.rend()

传回一个逆向队列的最后一个数据的下一个位置。

c.resize(num)

重新指定队列的长度。

c.reserve()

保留适当的容量。

c.size()

返回容器中实际数据的个数。

c1.swap(c2)

swap(c1,c2)

将c1和c2元素互换。

同上操作。

vector<Elem> c

vector <Elem> c1(c2)

vector <Elem> c(n)

vector <Elem> c(n, elem)

vector <Elem> c(beg,end)

c.~ vector <Elem>()

创建一个空的vector。

复制一个vector。

创建一个vector，含有n个数据，数据均已缺省构造产生。

创建一个含有n个elem拷贝的vector。

创建一个以[beg;end)区间的vector。

销毁所有数据，释放内存。

 

Vector操作

函数

描述

operator[]

返回容器中指定位置的一个引用。

 

创建一个vector

vector容器提供了多种创建方法，下面介绍几种常用的。

创建一个Widget类型的空的vector对象：

vector<Widget> vWidgets;

//     ------

//      |

//      |- Since vector is a container, its member functions

//         operate on iterators and the container itself so

//         it can hold objects of any type.

 

创建一个包含500个Widget类型数据的vector：

vector<Widget> vWidgets(500);

 

创建一个包含500个Widget类型数据的vector，并且都初始化为0：

vector<Widget> vWidgets(500, Widget(0));

 

创建一个Widget的拷贝：

vector<Widget> vWidgetsFromAnother(vWidgets);

 

向vector添加一个数据

vector添加数据的缺省方法是push_back()。push_back()函数表示将数据添加到vector的尾部，并按需要来分配内存。例如：向vector<Widget>中添加10个数据，需要如下编写代码：

for(int i= 0;i<10; i++)

    vWidgets.push_back(Widget(i));

 

获取vector中制定位置的数据

很多时候我们不必要知道vector里面有多少数据，vector里面的数据是动态分配的，使用push_back()的一系列分配空间常常决定于文件或一些数据源。如果你想知道vector存放了多少数据，你可以使用empty()。获取vector的大小，可以使用size()。例如，如果你想获取一个vector v的大小，但不知道它是否为空，或者已经包含了数据，如果为空想设置为-1，你可以使用下面的代码实现：

int nSize = v.empty() ? -1 : static_cast<int>(v.size());

 

访问vector中的数据

使用两种方法来访问vector。

1、   vector::at()

2、   vector::operator[]

operator[]主要是为了与C语言进行兼容。它可以像C语言数组一样操作。但at()是我们的首选，因为at()进行了边界检查，如果访问超过了vector的范围，将抛出一个例外。由于operator[]容易造成一些错误，所有我们很少用它，下面进行验证一下：

分析下面的代码：

vector<int> v;

v.reserve(10);

 

for(int i=0; i<7; i++)

    v.push_back(i);

 

try

{

 int iVal1 = v[7];  // not bounds checked - will not throw

 int iVal2 = v.at(7); // bounds checked - will throw if out of range

}

catch(const exception& e)

{

 cout << e.what();

}

 

我们使用reserve()分配了10个int型的空间，但并不没有初始化。 

你可以在这个代码中尝试不同条件，观察它的结果，但是无论何时使用at()，都是正确的。

 

删除vector中的数据

vector能够非常容易地添加数据，也能很方便地取出数据，同样vector提供了erase()，pop_back()，clear()来删除数据，当你删除数据的时候，你应该知道要删除尾部的数据，或者是删除所有数据，还是个别的数据。在考虑删除等操作之前让我们静下来考虑一下在STL中的一些应用。

 

Remove_if()算法

现在我们考虑操作里面的数据。如果要使用remove_if()，我们需要在头文件中包含如下代码：：

#include <algorithm>

 

         Remove_if()有三个参数：

1、   iterator _First：指向第一个数据的迭代指针。

2、   iterator _Last：指向最后一个数据的迭代指针。

3、   predicate _Pred：一个可以对迭代操作的条件函数。

 

条件函数

条件函数是一个按照用户定义的条件返回是或否的结果，是最基本的函数指针，或者是一个函数对象。这个函数对象需要支持所有的函数调用操作，重载operator()()操作。remove_if()是通过unary_function继承下来的，允许传递数据作为条件。

例如，假如你想从一个vector<CString>中删除匹配的数据，如果字串中包含了一个值，从这个值开始，从这个值结束。首先你应该建立一个数据结构来包含这些数据，类似代码如下：

#include <functional>

enum findmodes

{

 FM_INVALID = 0,

 FM_IS,

 FM_STARTSWITH,

 FM_ENDSWITH,

 FM_CONTAINS

};

typedef struct tagFindStr

{

 UINT iMode;

 CString szMatchStr;

} FindStr;

typedef FindStr* LPFINDSTR;

 

然后处理条件判断：

class FindMatchingString

    : public std::unary_function<CString, bool>

{

   

public:

  FindMatchingString(const LPFINDSTR lpFS) : m_lpFS(lpFS) {}

   

  bool operator()(CString& szStringToCompare) const

  {

     bool retVal = false;

 

     switch(m_lpFS->iMode)

     {

     case FM_IS:

       {

         retVal = (szStringToCompare == m_lpFDD->szMatchStr);

         break;

       }

     case FM_STARTSWITH:

       {

         retVal = (szStringToCompare.Left(m_lpFDD->szMatchStr.GetLength())

               == m_lpFDD->szWindowTitle);

         break;

       }

     case FM_ENDSWITH:

       {

         retVal = (szStringToCompare.Right(m_lpFDD->szMatchStr.GetLength())

               == m_lpFDD->szMatchStr);

         break;

       }

     case FM_CONTAINS:

       {

         retVal = (szStringToCompare.Find(m_lpFDD->szMatchStr) != -1);

         break;

       }

     }

       

     return retVal;

 }

       

private:

    LPFINDSTR m_lpFS;

};

 

通过这个操作你可以从vector中有效地删除数据：

// remove all strings containing the value of

// szRemove from vector<CString> vs.

 

FindStr fs;

fs.iMode = FM_CONTAINS;

fs.szMatchStr = szRemove;

 

vs.erase(std::remove_if(vs.begin(), vs.end(), FindMatchingString(&fs)), vs.end());

 

Remove_if()能做什么？

你可能会疑惑，对于上面那个例子在调用remove_if()的时候还要使用erase()呢？这是因为大家并不熟悉STL中的算法。Remove(),remove_if()等所有的移出操作都是建立在一个迭代范围上的，那么不能操作容器中的数据。所以在使用remove_if()，实际上操作的时容器里数据的上面的。思考上面的例子：

1、   szRemove = “o”.

2、   vs见下面图表中的显示。

观察这个结果，我们可以看到remove_if()实际上是根据条件对迭代地址进行了修改，在数据的后面存在一些残余的数据，那些需要删除的数据。剩下的数据的位置可能不是原来的数据，但他们是不知道的。

调用erase()来删除那些残余的数据。注意上面例子中通过erase()删除remove_if()的结果和vs.enc()范围的数据。

 

压缩一个臃肿的vector

很多时候大量的删除数据，或者通过使用reserve()，结果vector的空间远远大于实际需要的。所有需要压缩vector到它实际的大小。resize()能够增加vector的大小。Clear()仅仅能够改变缓存的大小，所有的这些对于vector释放内存等九非常重要了。如何来解决这些问题呢，让我们来操作一下。

我们可以通过一个vector创建另一个vector。让我们看看这将发生什么。假定我们已经有一个vector v，它的内存大小为1000，当我们调用size()的时候，它的大小仅为7。我们浪费了大量的内存。让我们在它的基础上创建一个vector。

std::vector<CString> vNew(v);

cout << vNew.capacity();

 

vNew.capacity()返回的是7。这说明新创建的只是根据实际大小来分配的空间。现在我们不想释放v，因为我们要在其它地方用到它，我们可以使用swap()将v和vNew互相交换一下？

    vNew.swap(v);

    cout << vNew.capacity();

    cout << v.capacity();

 

有趣的是：vNew.capacity()是1000，而v.capacity()是7。

现在是达到我的目的了，但是并不是很好的解决方法，我们可以像下面这么写：

    std::vector<CString>(v).swap(v);

     

你可以看到我们做了什么？我们创建了一个临时变量代替那个命名的，然后使用swap(),这样我们就去掉了不必要的空间，得到实际大小的v。

内存管理与效率

      使用reserve()函数提前设定容量大小，避免多次容量扩充操作导致效率低下。

      关于STL容器，最令人称赞的特性之一就是是只要不超过它们的最大大小，它们就可以自动增长到足以容纳你放进去的数据。（要知道这个最大值，只要调用名叫max_size的成员函数。）对于vector和string，如果需要更多空间，就以类似realloc的思想来增长大小。vector容器支持随机访问，因此为了提高效率，它内部使用动态数组的方式实现的。在通过reserve() 来申请特定大小的时候总是按指数边界来增大其内部缓冲区。当进行insert或push_back等增加元素的操作时，如果此时动态数组的内存不够用，就要动态的重新分配当前大小的1.5~2倍的新内存区，再把原数组的内容复制过去。所以，在一般情况下，其访问速度同一般数组，只有在重新分配发生时，其性能才会下降。正如上面的代码告诉你的那样。而进行pop_back操作时，capacity并不会因为vector容器里的元素减少而有所下降，还会维持操作之前的大小。对于vector容器来说，如果有大量的数据需要进行push_back，应当使用reserve()函数提前设定其容量大小，否则会出现许多次容量扩充操作，导致效率低下。

      reserve成员函数允许你最小化必须进行的重新分配的次数，因而可以避免真分配的开销和迭代器/指针/引用失效。但在我解释reserve为什么可以那么做之前，让我简要介绍有时候令人困惑的四个相关成员函数。在标准容器中，只有vector和string提供了所有这些函数。

(1) size()告诉你容器中有多少元素。它没有告诉你容器为它容纳的元素分配了多少内存。 
(2) capacity()告诉你容器在它已经分配的内存中可以容纳多少元素。那是容器在那块内存中总共可以容纳多少元素，而不是还可以容纳多少元素。如果你想知道一个vector或string中有多少没有被占用的内存，你必须从capacity()中减去size()。如果size和capacity返回同样的值，容器中就没有剩余空间了，而下一次插入（通过insert或push_back等）会引发上面的重新分配步骤。 
(3) resize(Container::size_type n)强制把容器改为容纳n个元素。调用resize之后，size将会返回n。如果n小于当前大小，容器尾部的元素会被销毁。如果n大于当前大小，新默认构造的元素会添加到容器尾部。如果n大于当前容量，在元素加入之前会发生重新分配。 resize是改变容器的大小，并且创建对象，因此，调用这个函数之后，就可以引用容器内的对象了，因此当加入新的元素时，用operator[]操作符，或者用迭代器来引用元素对象。
(4) reserve(Container::size_type n)强制容器把它的容量改为至少n，提供的n不小于当前大小。这一般强迫进行一次重新分配，因为容量需要增加。（如果n小于当前容量，vector忽略它，这个调用什么都不做，string可能把它的容量减少为size()和n中大的数，但string的大小没有改变。在我的经验中，使用reserve来从一个string中修整多余容量一般不如使用“交换技巧”，那是条款17的主题。）。reserve是容器预留空间，但并不真正创建元素对象，在创建对象之前，不能引用容器内的元素，因此当加入新的元素时，需要用push_back()/insert()函数。

     这个简介表示了只要有元素需要插入而且容器的容量不足时就会发生重新分配（包括它们维护的原始内存分配和回收，对象的拷贝和析构和迭代器、指针和引用的失效）。所以，避免重新分配的关键是使用reserve尽快把容器的容量设置为足够大，最好在容器被构造之后立刻进行。

例如，假定你想建立一个容纳1-1000值的vector<int>。没有使用reserve，你可以像这样来做：

vector<int> v;
for (int i = 1; i <= 1000; ++i) v.push_back(i);
在大多数STL实现中，这段代码在循环过程中将会导致2到10次重新分配。（10这个数没什么奇怪的。记住vector在重新分配发生时一般把容量翻倍，而1000约等于210。）

把代码改为使用reserve，我们得到这个：

vector<int> v;
v.reserve(1000);
for (int i = 1; i <= 1000; ++i) v.push_back(i);
这在循环中不会发生重新分配。

在大小和容量之间的关系让我们可以预言什么时候插入将引起vector或string执行重新分配，而且，可以预言什么时候插入会使指向容器中的迭代器、指针和引用失效。例如，给出这段代码，

string s;
...
if (s.size() < s.capacity()) {
s.push_back('x');
}
push_back的调用不会使指向这个string中的迭代器、指针或引用失效，因为string的容量保证大于它的大小。如果不是执行push_back，代码在string的任意位置进行一个insert，我们仍然可以保证在插入期间没有发生重新分配，但是，与伴随string插入时迭代器失效的一般规则一致，所有从插入位置到string结尾的迭代器/指针/引用将失效。

回到本条款的主旨，通常有两情况使用reserve来避免不必要的重新分配。第一个可用的情况是当你确切或者大约知道有多少元素将最后出现在容器中。那样的话，就像上面的vector代码，你只是提前reserve适当数量的空间。第二种情况是保留你可能需要的最大的空间，然后，一旦你添加完全部数据，修整掉任何多余的容量。

例:当前size()为50, capacity()为100,经过以下操作:

(1) resize(10).  //size() == 10; 10到49下标的元素被删除. capacity()==100,不变,没有进行内存重新分配.

(2) resize(60).  //size() == 60; 50到59下标用默认构造函数填充. capacity() == 100,不变,没有进行内存重新分配.

(3) resize(60, 9999).  //size() == 60; 50到59下标用9999填充. capacity() == 100,不变,没有进行内存重新分配.

(4) resize(200). //size() == 200; 50到199下载用默认构造函数填充. capacity() == 200, 自动扩容,重新分配内存. 

(5) reserve(10). //size() == 50; 不变,没有元素被删除, capacity() == 100, 不变. 即reserve调用没起作用.

(6) reserve(60). //size() == 50; 元素没有变, capacity() == 100, 不变. 即reserve调用没起作用.

(7) reserve(200). //size() == 50; 元素没有变, capacity() == 200, 扩容,重新分配内存.

结论

我希望这个文档可以给那些使用STL vector容器的开发者很有价值的参考。我也希望通过阅读这篇文章你可以放心地使用vector来代替C语言中的数据了。

 

参考

Plauger, P.J. Standard C++ Library Reference. February, 2003. MSDN.

Schildt, Herbert. C++ from the Ground Up, Second Edition. Berkeley: 1998.

Sutter, Herb. More Exceptional C++. Indianapolis: 2002.