几个关于vector的问题

说到vector，想必读者都十分熟悉了，几乎所有C++程序员都会使用它，不过许多人并不清楚真正的语义，无意间会犯一些很奇怪的错误，今天看几个关于vector的问题，当然不可能把vector所有的东西都拿出来讲，否则就变成讨论vector的实现了。

1. 一个简单的例子

下面代码中，A和B两行代码有何区别？

void simple(std::vector<int> v) {
  v[0];       // A
  v.at(0);    // B 
}

破冰
上面A和B两行代码都是在访问v的第一个元素，区别如下

• 当v非空，则没有区别；
• 当v为空，B会抛出一个std::out_of_range，至于A的行为，标准未作出声明。

再探
结合这两个函数在标准库里的声明看看，我稍稍的改写下，方便阅读，不影响理解

reference at(size_type __n);
reference operator[](size_type __n) noexcept;

从声明我们可以看到两个函数都是返回容器中第 n（参数）个位置的元素的引用，它们还有两个返回const引用的版本。operator[]是不会抛出异常的。使用成员函数at去访问vector里面的元素，会先进行下标越界检查，当越界发生将抛出out_of_range的异常。但标准并未强制要求operator[]做下标检查，一个原因设计vector是为了代替数组的，对operator[]效率要求很高。当你需要显示检查下标，请使用at成员函数。

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在C++2.0之后引入了std::array来代替内置数组，下表简单总结了它们之间的差异

容器	底层数据结构	时间复杂度	其他
array	数组	随机读改 O(1)	支持随机访问
vector	数组	随机读改、尾部插入、尾部删除 O(1)；头部插入、头部删除 O(n)	支持随机访问

2. 考虑 reserve

考虑下面的例子，会有什么问题

std::vector<int> v;
v.reserve(2);
v[0] = 1;
std::cout << v[0];

先看看上面第二行调用reserve保证v的容量capacity大于等于2，事实上很可能大于2，因为vector的大小呈指数速度上升。
问题比较明显出在最后两行，但是可能不易发觉，甚至在有些编译器上 “勉强” 能够 “正常运行”。
问题出在混淆了size和capacity的概念。我们先理清下面两个概念

• size与capacity

size用来指示容器当前的元素个数；capacity表示容器的容量，一般大于size，告诉你一般最少添加多少个元素才会导致容器重新分配内存。

• resize和reserve

resize是改变容器的大小，且在创建对象；
reserve表示容器预留空间，不会创建对象，只修改capacity大小，不修改size大小；

所以在调用第二行代码之后，v仍然是空的。但是标准并未强制要求operator[]做下标检查，所以很可能在你的编译器中会出现v[0] = 1;被认为是正确的情况，最后在标准输出上打出1，跟 "错误的" 预期相符合。
强调一下，上述的情形只是一种典型的可能情况，并不一定会出现在所有地方。

3. 再看reserve

如果我们在2的后面再加上下面这两句，会出现什么情况

v.reserve(100);
std::cout << v[0];

• 一种可能的情况

接着之前的典型（错误的）情况，这个时候输出的值可能为0，不必诧异，刚刚赋值的1去哪了。

• 解释

假定第一次reserve(2)并没有使内部缓冲区扩大到100或者更大，这里reserve(100)就会引入一次内部缓冲区的重新分配，这时v的元素会被复制到新分配的缓冲区中，而问题是此时v中根本没有元素，空空如是，因此不会复制任何元素，此外，新分配的缓冲区初值可能为0（严格来说不确定是0，这里我们只是假设），因此就出现了上面的情况。

• 替代方案

将上面的v[0] = 1;替换成v.push_back(1);就不会有问题了，它总是会像容器的尾部追加元素。

4. 遍历vector

思考一下下面的代码片段

for (vector<int>::iterator iter = v.begin(); iter < v.end(); iter++) {
  std::cout << *iter << std::endl;
}

上面的程序正常运行没有任何问题，有些小细节需要注意

• 尽量使用!=

尽量使用!=而不是<来比较两个迭代器。因为<只对随机访问迭代器有效，而!=对任何迭代器都有效。方便将来需要时改变容器的类型，例如std::list迭代器不支持<。

• 尽量使用前置++
• 尽量使用const_iterrator
• 尽量使用\n代替endl

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华丽分割线来了.......

• 使用标准库算法

C++标准库提供了一百多种有用的算法，可以避免使用原始循环。例如copy，for_each，transform，accumulate...，

我们使用标准库算法重写上面的代码

// 尽量使用标准库算法而不是原始for循环
std::copy(v.cbegin(), v.cend(), std::ostream_iterator<int>(std::cout, "\n"));

• C++2.0的福音

C++11之后范围for语句的引入，使得循环写起来得心应手，也不容易出错

for (auto i : v) {
  std::cout << i << "\n";
}

• 相关话题

C++14以后，由于对lambda表达式的增强，使得其与标准库算法相结合往往可以写出更加简短的代码，往往表现力更强，这里简单举个例子，

int main() {
  std::vector<std::string> words{"One", "small", "step", "One", "big", "leap"};

  std::transform(begin(words), end(words), begin(words), [](const auto& word) {
    return "<" + word + ">";
  });
  std::for_each(begin(words), end(words), [](const auto& word) {
    std::cout << word << " ";
  });
}
// output
// <One> <small> <step> <One> <big> <leap>

不熟悉lambda的读者可以参考我的另一篇文章第4节可调用对象，或者查阅其它资料。

End

独乐乐不如众乐乐，大家学习到的好东西也可以分享出来。