【C++进阶】深入STL之vector：深入研究迭代器失效及拷贝问题
【C++进阶】深入STL之vector：深入研究迭代器失效及拷贝问题
前言：在C++的STL（Standard Template Library）库中，vector容器无疑是最常用且功能强大的数据结构之一。它提供了动态数组的功能，允许我们在运行时动态地增加或减少元素。然而，随着我们对vector的深入使用，一些潜在的问题也逐渐浮现，其中最为常见和棘手的就是迭代器失效以及拷贝问题 (关于初始insert和erase的模拟实现在本篇末尾)
注意：我们使用的函数是上一篇模拟实现的函数
📒1. 迭代器失效
迭代器失效是指在使用迭代器遍历或操作vector容器时，由于某些操作导致迭代器失效，无法再正确引用容器中的元素。 这种情况往往发生在vector容器进行扩容、插入或删除元素等操作时。迭代器失效可能导致程序出现未定义行为，甚至崩溃。
因此：深入理解vector迭代器失效的原因和场景，对于编写健壮、可靠的C++代码至关重要。
🌈插入时失效
代码示例：(插入)
void test_vector()
{
vector<int> v1; // 创建一个vector插入4个元素
v1.push_back(1);
v1.push_back(2);
v1.push_back(3);
v1.push_back(4);
vector<int>::iterator it = find(v1.begin(), v1.end(), 1);
v1.insert(it, 2); // 然后我们再来插入两个元素
v1.insert(it, 3);
for (auto e : v1)
{
cout << e << " ";
}
cout << endl;
}
哎呀，怎么程序出错了？
扩容前：迭代器pos在_start和_finish之间 扩容后：start和finish的地址改变，pos不再指向vector区域的位置
迭代器失效： 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
🌞删除时失效
erase也会造成迭代器失效 代码示例：(删除)
void test_vector()
{
vector<int> v;
v.push_back(1);
v.push_back(2);
v.push_back(3);
v.push_back(4);
v.push_back(5);
v.push_back(6);
auto it = v.begin();
while (it != v.end())
{
if (*it % 2 == 0) v.erase(it);
++it;
}
}此段代码依然会出现错误，我们可以画图来理解：
erase删除元素后，会进行数据的挪动，我们自己也对迭代器进行了++，导致最后it指向了vector有效范围之外
注意：在vs中，使用erase函数，因为vs对迭代器进行了封装，编译器自动认为此位置迭代器失效
📕2. 解决迭代器失效
迭代器失效解决办法：在使用前，对迭代器重新赋值即可
🍂在插入时失效
这种情景是因为在插入一次元素时，进行了扩容，导致pos位置不对，因此我们只需要不用当前pos迭代器，而是将pos指向进行更新，但是这样做依然解决不了迭代器失效，我们参考库里面，是将insert从void变成iterator 类型，将迭代器返回给it重新赋值即可
iterator insert(iterator pos, const T& x)
{
assert(pos <= _finish);
assert(pos >= _start);
if (_finish == _end_of_storage)
{
size_t len = pos - _start; // 在扩容时， 我们保留下pos和_start的相对位置
reserve(capacity() == 0 ? 4 : capacity() * 2);
pos = _start + len; // 在扩容结束后，将pos恢复回来
// 虽然我们进行了此处操作当时依然不能避免迭代器失效
}
iterator end = _finish - 1;
while (end >= pos)
{
*(end + 1) = *end;
end--;
}
*pos = x;
_finish++;
return pos; // 返回迭代器在重新赋值
}🍁在删除时失效
解决删除时的迭代器失效，我们只需要更改代码，让它删除后不用再++迭代器，或者没删除的时候再++，但是这样治标不治本，因此我们选择效仿库里面，返回迭代器，将迭代器返回给it重新赋值即可
iterator erase(iterator pos)
{
assert(pos >= _start);
assert(pos < _finish);
iterator it = pos + 1;
while (it < _finish)
{
*(it - 1) = *it;
it++;
}
_finish--;
return pos;
}
void test_vector()
{
vector<int> v;
v.push_back(1);
v.push_back(2);
v.push_back(3);
v.push_back(4);
v.push_back(5);
v.push_back(6);
auto it = v.begin();
while (it != v.end())
{
if (*it % 2 == 0) it = v.erase(it);
else ++it;
}
}
迭代器失效解决办法：在使用前，对迭代器重新赋值即可
📜3. vector的拷贝问题
vector的拷贝问题也是我们在实际编程中经常需要面对的挑战。拷贝操作在C++中非常常见，无论是函数参数的传递、对象的赋值还是容器之间的交互，都可能涉及到拷贝操作。然而，对于vector这样的动态容器，拷贝操作可能会带来性能上的开销，尤其是浅拷贝和深拷贝的问题，容易给我们带来困扰
🎩浅拷贝
由于我们在模拟实现时，用的都是memcpy来拷贝元素，操作不慎就会引发浅拷贝问题
- memcpy是内存的二进制格式拷贝，将一段内存空间中内容原封不动的拷贝到另外一段内存空间中
- 如果拷贝的是自定义类型的元素，memcpy既高效又不会出错，但如果拷贝的是自定义类型元素，并且自定义类型元素中涉及到资源管理时，就会出错，因为memcpy的拷贝实际是浅拷贝。
// memcpy(tmp, _start, sizeof(T) * sz); 拷贝元素
void test_vector()
{
vector<string> v1;
v1.push_back("aaaaaaaaaaaaaa");
v1.push_back("bbbbbbbbbbbbbb");
v1.push_back("cccccccccccccc");
v1.push_back("dddddddddddddd");
v1.push_back("dddddddddddddd");
v1.push_back("eeeeeeeeeeeeee"); // 此处需要扩容
for (auto e : v1)
{
cout << e << " ";
}
}
memcpy会带来浅拷贝的隐患，因此我们用另外一种方法来进行拷贝
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。
🎈深拷贝
我们可以用for循环将memcpy进行替换来避免浅拷贝，造成程序崩溃
void push_back(const T& x)
{
if (_finish == _end_of_storage)
{
reserve(capacity() == 0 ? 4 : capacity() * 2);
size_t sz = size();
size_t cp = capacity();
T* tmp = new T[cp];
//memcpy(tmp, _start, sizeof(T) * sz);
// 用for循环进行深拷贝
for (size_t i = 0; i < sz; i++)
{
tmp[i] = _start[i];
}
delete[] _start;
_start = tmp;
_finish = _start + sz;
_end_of_storage = _start + cp;
}
*_finish = x;
_finish++;
}📖4. 总结补充
💧补充：insert和erase的模拟实现(优化前)
void insert(iterator pos, const T& x)
{
assert(pos <= _finish);
assert(pos >= _start);
if (_finish == _end_of_storage)
{
reserve(capacity() == 0 ? 4 : capacity() * 2);
}
iterator end = _finish - 1;
while (end >= pos)
{
*(end + 1) = *end;
end--;
}
*pos = x;
_finish++;
}
void erase(iterator pos)
{
assert(pos >= _start);
assert(pos < _finish);
iterator it = pos + 1;
while (it < _finish)
{
*(it-1) = *it;
it++;
}
_finish--;
}🔥总结
在深入探讨STL中vector的迭代器失效和拷贝问题后，我们不难发现，这些问题虽然常见，但理解其背后的原理并采取相应的措施，可以有效避免它们带来的潜在风险
- 对于迭代器失效，我们了解到它通常发生在vector进行扩容、插入或删除元素等操作时。为了避免迭代器失效，我们需要时刻注意迭代器的有效性和生命周期，确保在操作过程中不会意外地修改或销毁迭代器所指向的对象。此外，了解vector扩容的时机和机制，也可以帮助我们预测和避免潜在的迭代器失效问题
- 而对于拷贝问题，我们认识到vector的拷贝操作可能会带来性能上的开销，以及造成程序崩溃的结果。为了减少这些开销，我们可以考虑使用移动语义、避免不必要的拷贝以及优化拷贝策略等方法。同时，了解不同拷贝方式的优缺点和适用场景，可以帮助我们更加明智地选择适当的拷贝方式
我们希望能够为大家提供关于vector迭代器失效和拷贝问题的深入理解，并引导他们采取正确的措施来避免这些问题。然而，学习是一个永无止境的过程。随着C++语言的不断发展和STL库的更新迭代，我们可能会发现更多关于vector的新特性和最佳实践。 因此，我们希望大家继续深入学习C++和STL的相关知识，不断提高自己的编程能力和代码质量
谢谢大家支持本篇到这里就结束了，祝大家天天开心！
腾讯云开发者
