C++STL第二篇（vector的原理用法）

vector

vector的資料安排以及操作方式，與array非常相似，兩者的唯一差別在於空間的運用的靈活性。Array是靜態空間，一旦配置了就不能改變，要換大一點或者小一點的空間，可以，一切瑣碎得由自己來，首先配置一塊新的空間，然後將舊空間的資料搬往新空間，再釋放原來的空間。Vector是動態空間，隨著元素的加入，它的內部機制會自動擴充空間以容納新元素。因此vector的運用對於記憶體的合理利用與運用的靈活性有很大的幫助，我們再也不必害怕空間不足而一開始就要求一個大塊頭的array了。

Vector的實現技術，關鍵在於其對大小的控制以及重新配置時的資料移動效率，一旦vector舊空間滿了，如果客戶每新增一個元素，vector內部只是擴充一個元素的空間，實為不智，因為所謂的擴充空間(不論多大)，一如剛所說，是”配置新空間-資料移動-釋放舊空間”的大工程,時間成本很高，應該加入某種未雨綢繆的考慮，稍後我們便可以看到vector的空間配置策略。

Vector維護一個線性空間，所以不論元素的型別如何，普通指標都可以作為vector的迭代器，因為vector迭代器所需要的操作行為，如operaroe*, operator->, operator++, operator--, operator+, operator-, operator+=, operator-=, 普通指標天生具備。Vector支援隨機存取，而普通指標正有著這樣的能力。所以vector提供的是隨機訪問迭代器(Random Access Iterators).

#include <vector> // 包含 vector 標頭檔案

// 建立一個儲存 int 型別的 vector
std::vector<int> intVector;

// 向 vector 尾部新增元素
intVector.push_back(42);

// 獲取 vector 的大小（元素個數）
int size = intVector.size();

// 獲取 vector 的容量（當前分配的儲存空間大小）
int capacity = intVector.capacity();

// 訪問 vector 中的元素
int element = intVector[0]; // 使用下標訪問

// 遍歷 vector 中的所有元素
for (int i = 0; i < intVector.size(); ++i) {
    std::cout << intVector[i] << " ";
}

// 使用迭代器進行遍歷
for (auto it = intVector.begin(); it != intVector.end(); ++it) {
    std::cout << *it << " ";
}

以上就是所有vector常用的語法，具體透過下述一個小例子來說。

	vector<int> regina;
	for (int i = 0; i < 10; i++) {
		regina.push_back(i);
		cout << regina.capacity() << endl;

	}
	int* start = &regina[0];
	int* end = &regina[regina.size() - 1];

	for (; start <= end; start++) {
		cout << *start << endl;
	}

Vector所採用的資料結構非常簡單，線性連續空間，它以兩個迭代器_Myfirst和_Mylast分別指向配置得來的連續空間中目前已被使用的範圍，並以迭代器_Myend指向整塊連續記憶體空間的尾端

。所謂動態增加大小，並不是在原空間之後續接新空間(因為無法保證原空間之後尚有可配置的空間)，而是一塊更大的記憶體空間，然後將原資料複製新空間，並釋放原空間。因此，對vector的任何操作，一旦引起空間的重新配置，指向原vector的所有迭代器就都失效了。這是程式設計師容易犯的一個錯誤，務必小心。

常用操作

assign(beg, end);//將[beg, end)區間中的資料複製賦值給本身。
assign(n, elem);//將n個elem複製賦值給本身。
vector&operator=(const vector  &vec);//過載等號運算子
swap(vec);// 將vec與本身的元素互換。
--------
size();//返回容器中元素的個數
empty();//判斷容器是否為空
resize(int num);//重新指定容器的長度為num，若容器變長，則以預設值填充新位置。如果容器變短，則末尾超出容器長度的元素被刪除。
resize(int num, elem);//重新指定容器的長度為num，若容器變長，則以elem值填充新位置。如果容器變短，則末尾超出容器長>度的元素被刪除。
capacity();//容器的容量
reserve(int len);//容器預留len個元素長度，預留位置不初始化，元素不可訪問。
-------------
at(int idx); //返回索引idx所指的資料，如果idx越界，丟擲out_of_range異常。
operator[];//返回索引idx所指的資料，越界時，執行直接報錯
front();//返回容器中第一個資料元素
back();//返回容器中最後一個資料元素
-------------
insert(const_iterator pos, int count,ele);//迭代器指向位置pos插入count個元素ele.
push_back(ele); //尾部插入元素ele
pop_back();//刪除最後一個元素
erase(const_iterator start, const_iterator end);//刪除迭代器從start到end之間的元素
erase(const_iterator pos);//刪除迭代器指向的元素
clear();//刪除容器中所有元素

在C++的STL中，capacity()和size()是vector類的兩個成員函式，用於獲取vector物件的容量和大小。

• capacity()函式返回vector物件在不重新分配記憶體的情況下能夠容納的元素數量。換句話說，capacity()表示vector當前分配的記憶體空間大小，而不是vector實際包含的元素數量。當vector中的元素數量達到當前容量時，如果需要繼續新增元素，vector會分配更大的記憶體空間，並將原有元素複製到新的記憶體空間中。
• size()函式返回vector物件當前包含的元素數量。換句話說，size()表示vector中實際儲存的元素數量，而不考慮vector實際分配的記憶體空間大小。

舉個例子，假設你有一個vector物件regina，初始時capacity()可能為10，而size()為0。這意味著regina的記憶體空間能夠容納10個元素，但實際上它目前並沒有儲存任何元素。當你向regina中新增元素時，size()會逐漸增加，直到等於capacity()，此時vector可能會重新分配更大的記憶體空間。

總結一下：

• capacity()：表示vector當前分配的記憶體空間大小，不考慮實際儲存的元素數量。
• size()：表示vector實際儲存的元素數量，不考慮分配的記憶體空間大小。

vector<int> regina;
for (int i = 0; i < 100000; i++) {
	regina.push_back(i);
}

cout << "capacity:" << regina.capacity() << endl;
cout << "size:" << regina.size() << endl;

//此時 透過resize改變容器大小
regina.resize(10);

cout << "capacity:" << regina.capacity() << endl;
cout << "size:" << regina.size() << endl;

//容量沒有改變
vector<int>(regina).swap(regina);
/*在建立臨時vector物件時，它會使用剛好
足夠的記憶體來儲存regina的元素，並且不會有
額外的記憶體佔用。然後透過swap函式，regina
會將自己的記憶體與臨時vector進行交換，
從而達到釋放多餘記憶體的目的。*/

cout << "capacity:" << regina.capacity() << endl;
cout << "size:" << regina.size() << endl;

在這段程式碼中，我們首先向regina中新增了10萬個元素，然後呼叫resize(10)將regina的大小改變為10。接著透過建立臨時vector物件並與regina交換來釋放多餘的記憶體。讓我解釋一下容量是如何變小的。

1. 初始狀態：
   • 在向regina中新增10萬個元素後，capacity()可能會大於或等於10萬，因為vector在需要時會分配比實際所需更多的記憶體，以減少頻繁的重新分配和複製。
2. 呼叫resize(10)：
   • 當呼叫resize(10)時，regina的大小被改變為10，但它的容量仍然可能保持不變。這是因為resize函式通常只改變vector的大小，而不會改變其容量，除非指定了新的容量值。
3. 透過臨時vector物件和swap釋放多餘記憶體：
   • 接著使用了一個巧妙的技巧，建立了臨時的vector物件，並透過swap函式釋放了regina中多餘的記憶體。這樣做會使regina的容量變得剛好足夠儲存當前的元素數量，沒有額外的記憶體佔用。

vector VS valarray VS array

1. std::vector：
   • std::vector 是標準庫中最常用的動態陣列容器。
   • 它可以動態增長和縮小，即在執行時可以新增或刪除元素。
   • vector 內部使用動態記憶體分配來儲存元素，因此可以根據需要動態調整其大小。
   • 支援隨機訪問，插入和刪除操作效率較高。
2. std::valarray：
   • std::valarray 代表值陣列，是用於執行數學運算的陣列。
   • valarray 提供了一些數學運算函式，如對每個元素進行操作、求平方根、求平均值等。
   • valarray 的設計旨在提供高效能的數學運算，但在某些情況下可能不夠靈活。
   • 在實際開發中，valarray 往往被認為是一個在數值計算方面更專業的工具，而不是通用的容器。
3. std::array：
   • std::array 是固定大小的陣列容器，其大小在編譯時確定。
   • array 在記憶體中是連續儲存的，類似於原生陣列，但提供了更多的功能和安全性。
   • array 提供了陣列的基本功能，如隨機訪問、迭代器等，但大小固定，不能動態增長或縮小。

#include <iostream>
#include <vector>
#include <valarray>
#include <array>

int main() {
    // 1. std::vector 例子
    std::vector<int> vec = {1, 2, 3, 4, 5};
    vec.push_back(6); // 新增元素
    for (int i : vec) {
        std::cout << i << " ";
    }
    std::cout << "\n";

    // 2. std::valarray 例子
    std::valarray<int> valarr = {1, 2, 3, 4, 5};
    valarr += 5; // 對每個元素加5
    for (int i : valarr) {
        std::cout << i << " ";
    }
    std::cout << "\n";

    // 3. std::array 例子
    std::array<int, 5> arr = {1, 2, 3, 4, 5};
    for (int i : arr) {
        std::cout << i << " ";
    }
    std::cout << "\n";

    return 0;
}