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容器删除元素后迭代器失效_STL源码剖析——vector容器

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写在前面

vector是我们在STL中最常用的容器,我们对它的各种操作也都了然于胸。然而我们在使用vector的时候总会有一种很虚的感觉,因为我们不清楚接口内部是如何实现的。在我们眼里宛如一个黑箱,既危险又迷人。

为了打破这种顾虑,接下来我就带大家深入vector底层,彻底弄懂vector接口内部实现细节,打开这个黑箱。这样在使用vector的时候我们也就不会慌了,做到真正的了然于胸。

vector 底层原理概述

vector是动态空间,随着元素的增加,其内部机制会自行扩充空间来容纳新元素。

vector动态增加大小时,并不是在原空间之后持续新空间(因为根本无法保证原空间之后尚有可供配置的空间),而是以原大小的两倍另外配置一块较大的空间,然后将内容拷贝过来,然后才开始在原内容之后构造新元素,并释放原空间,

重点源码理解

1.迭代器内部型别

下面我们来看看STL源码里面是如何来定义迭代器的吧。

template <class T, class Alloc = alloc>class vector {
    
public:
    // vector 的嵌套型别定义
    typedef T value_type;
    typedef value_type* iterator;    // 迭代器本身是一个模板类的对象
    typedef value_type& reference;
    ...
};

如上面代码所示,迭代器iterator本身是一个类类型,运算符*被重载。迭代器iterator指向vector的内部元素,可以理解为iteratorvector的内部元素捆绑在一起,其行为类似指针,但是又不能把它当作指针。

灵魂拷问一:迭代器与指针有什么区别?

我们可以这样理解,迭代器本质上就是模板类产生的一个对象,而其运算符*->都是经过运算符重载实现的。这个对象指向vector的内部元素(元素又是迭代器的对象),所以当迭代器指向的元素被删除或者移动,迭代器与元素就断开链接,迭代器也就没有用了,也就是我们通常说的迭代器失效。迭代器的行为类似指针,但是又有所区别。

反观指针,指针与内存是联系在一起的。如果指针指向的内存地址存储的元素被删除或者移动,指针并不会因此失效,它依然指向了该地址。

根据上述定义,迭代器可以这样声明:

vector<int>::iterator ivite;
vector::iterator svite;

看完上面的源码,我们也就清楚为什么迭代器要这样声明了。

2.vector 的数据结构

vector使用两个迭代器startfinish来表示已使用空间的范围,并以迭代器end_of_storage指向分配空间的尾端。代码如下:

template <class T, class Alloc = alloc>class vector {
    
...
protected:
    iterator start;          // 表示目前使用空间的头
    iterator finish;         // 表示目前使用空间的尾,即最后一个元素的下一个元素
    iterator end_of_storage; // 表示目前分配的整个空间的尾
    ...
};

利用以上三个迭代器,我们能够封装vector的各种成员函数。

template <class T, class Alloc = alloc>class vector {
    
...
public:
  iterator begin() { return start; }
  iterator end() { return finish; }
  size_type size() const { return size_type(end() - begin()); }
  bool empty() const { return begin() == end(); }
  reference front() { return *begin(); }
  reference back() { return *(end() - 1); }
  reference operator[](size_type n) { return *(begin() + n); }// 运算符[]重载,能够使用迭代器来访问元素
};

上面一些基础操作已经一目了然了,这里就不一一述说了。这里只提两点,第一,从上面代码可以看出operator[]()对运算符[]进行了重载,这样能够使迭代器像数组索引一样遍历vector

第二,迭代器finish指向的是vector最后一个元素的下一个元素,封装的end()函数也如此。这也就是我们常常说的vector前闭后开特性。

灵魂拷问二:为什么容器要设计成前闭后开的特性?

这样做是为了在遍历容器元素时减少判断条件。因为STL的核心是泛型编程,使得设计的接口是通用的。由于只有部分容器支持><运算符重载,而!=则是全部容器都支持,所以遍历元素的时候优先使用!=重载运算符。

如果将end()指向容器最后一个元素的下一个,则遍历操作只需要写成:

vector<int> vec;
auto it = vec.begin();
while (it != vec.end()) {
    ... 
    ++it;
}

但是如果end()指向的是最后一个元素,上述代码会少遍历一个元素,这就需要在while循环里增加额外的判断条件,并且这个判断条件可能因容器的不同要进行修改,而上述代码在任何顺序容器都能这样调用,减少了很多多余工作。

3.vector 的元素操作

vector 的构造函数

vector的构造函数有多种形式,下面摘取源码中的部分代码:

// 构造函数,允许指定 vector 大小和初值
vector() : start(0), finish(0), end_of_storage(0) {}
vector(size_type n, const T& value) { fill_initialize(n, value); }
explicit vector(size_type n) { fill_initialize(n, T()); }

分别对应如下初始化:

vector<int> vec;
vector<int> vec(2,3);
vector<int> vec(2);
push_back() 与 pop_back()

当我们以push_back()将新元素插入vector尾端时,该函数首先检查是否还有备用空间,如果有就直接在备用空间上构造元素,并调整迭代器finish。如果没有备用空间了,就扩充空间(重新配置、移动数据、释放原空间)。

void push_back(const T& x) {
    
  if (finish != end_of_storage) { // 还有备用空间
    construct(finish, x);
    ++finish;
  }
  else                           // 已无备用空间
    insert_aux(end(), x);        // 插入函数
}

插入函数原型为:

void insert_aux(iterator position, const T& x);

这个函数比较长,具体思路:在有备用空间情况下,在备用空间起始处构造一个元素,迭代器finish自增一;在无备用空间情况下,重新配置两倍的原内存空间,将原vector的内容拷贝到新vector中,再释放掉原空间。

注:插入函数是将元素插入到对应位置,原先该位置以及后面的元素都向后移动一位。

删除vector尾部元素操作pop_back()更加简单。

void pop_back() {
    
  --finish;
  destroy(finish);
}

直接将尾部迭代器finish向前移动一位,然后释放掉。由于尾部迭代器finish指向的是最后一个元素的下一位,所以减一后正好是原来的最后一个元素。

erase() 与 clear()

erase()表示删除vector的某一个元素或者某一区间内的所有元素。

// 删除 vector 的某一个位置的元素
iterator erase(iterator position) {
  if (position + 1 != end())
    copy(position + 1, finish, position);
  --finish;
  destroy(finish);
  return position;
}
// 删除 vector 的某一个区间的元素
iterator erase(iterator first, iterator last) {
  iterator i = copy(last, finish, first);
  destroy(i, finish);
  finish = finish - (last - first);
  return first;
}

如果不对erase()函数谨慎使用,可能会出现迭代器失效的问题。

灵魂拷问三:在什么情况下使用`erase()`函数迭代器会失效?

通常我们写出这样的代码迭代器会失效。

for(auto it = vec.begin();it != vec.end();++it) {
    
    if(/* 删除某元素的判断条件 */) {
        vec.erase(it);
    }
}

由灵魂拷问一可知,删除元素后由于被删除元素后面的数据都会发生移动,所以后面的迭代器都会失效。故上述代码在删除了某个迭代器后,后面的++it遍历已经失去意义,不会得到正确的结果。

那应该如何更改呢?由前面删除vector的某一个位置的元素的源代码可知,erase()返回的是一个迭代器,这个迭代器实际上是被删除元素的下一个元素绑定的迭代器,这个迭代器是数据移动后新的有效的迭代器。也可以说是更新了迭代器。

正确的写法为:

for(auto it = vec.begin();it != vec.end();) {
    
    if(/* 删除某元素的判断条件 */) {
        it = vec.erase(it);  // 更新了迭代器
    }
    else {
        ++it;
    }
}

clear()表示清空vector上的所有元素。

void clear() { erase(begin(), end()); }