使用::std::vector<>作为管理动态数组的优先选择

摘要: 本文介绍了C++标准库中的容器类vector，分析了它的优点，并且建议在应用程序中使用它作为动态数组的优先选择，而不是MFC的CArray等其他类模板。最后介绍了vector的接口和使用时的注意事项。
在一些使用 MFC 的程序中，经常看到许多程序使用 CArray，由于 CArray的设计问题，造成使用它的代码的复杂化，增加了维护难度。因此建议使用 ::std::vector 代替 CArray。
另外，也看到一些程序在用 malloc/realloc/free/new[]/delete[] 等手工管理内存。在应用程序中，手工管理内存是容易导致错误的，应该用 ::std::vector 之类的对象来管理动态数组。
由于 MSDN 中关于 ::std::vector 的内容较少，我们在这里做一些介绍，供参考。
不熟悉 CArray/WIN32 也没关系，这里提到它们的地方并不太多。
1. CArray VS ::std::vector ?
CArray 和 ::std::vector 一样，都是模板类，用于管理任意类型的对象的动态数组。都在解构时释放所管理的动态内存。因此都可以用于代替手工动态数组管理。
但是，CArray 是在 C++ 标准化之前很多年(VC++2.0时代)设计的，当时对 C++程序设计，面向对象程序设计，模板程序设计等技术认识严重不足，尤其是当时对面向对象技术的错误信仰与宣传，造成 CArray 的设计有重大错误。
在 C++ 语言标准化以后(1998)，以及 VC++ 6.0 出世以后，提供了标准的::std::vector 模板，基本上在任何方面都要优于 CArray。Microsoft 由于要支持老的程序，因此一直保留了 CArray，但显然并没有打算按照新的思想去发展它(至少应该提供operator=(CArray const&)吧)。
概括起来，CArray 与 ::std::vector 有以下不同：
1) CArray 是 MFC 中的，::std::vector 存在于任何标准的 C++ 实现中。因此，你用熟了 CArray 也只能在 MFC 中用，若用熟了 ::std::vector，你可以在任何平台的任何 C++ 编译器下使用。使用标准的部件也有利于别人理解你的程序。 . CArray 继承了 CObject，仅仅为了实现 serialization，这是不恰当的， 违反了 "You don't pay for what you don't use." 的 C++ 设计原则。::std::vector 没有继承任何东西，只是实现了管理一个动态数组该做的事。
2) CArray 不是一个恰当的值类型，例如下列操作都是不合法的：
CArray[i] a;
CArray[i] b(a);　// error, must use Copy().
b = a;　　　　// error, must use Copy().
b == a;　　　 // error, you must write your own.
b
与 CArray 相反，::std::vector 是一个认真设计的值类型，天生是可以拷贝构造和可赋值的。如果 T 是可比较的，那么 ::std::vector 将自动地是可以比较的。
此外，由于涉及到四个特殊成员函数；
T(); // 缺省构造函数(default constructor)
~T(); // 解构函数(destructor)
T( T const& ); // 拷贝构造函数
T& operator=( T const& ); // 拷贝赋值函数
的自动生成，如果使用 CArray() 作为 T 的成员变量，那么上述的四个特殊函数中的后两个将无法自动生成，需要手工写：
struct T
{
　 T() {}
　 T( T const& t )
　 {
　　　 a_.Copy( t.a_ );
　　　 i_ = t.i_;
　　　 d_ = t.d_;
　　　 s_ = t.s_;
　 }
　 T& operator = ( T const& t )
　 {
　　　 if( this != &t )
　　　 {
　　　　　 a_.Copy( t.a_ );
　　　　　 i_ = t.i_;
　　　　　 d_ = t.d_;
　　　　　 s_ = t.s_;
　　　 }
　　　 return *this;
　 }
private:
　 CArray[i] a_;
　 int i_;
　 double d_;
　 ::std::string s_;
};
如果使用 ::std::vector：
struct T
{
private:
　 ::std::vector[i] a_;
　 int i_;
　 double d_;
　 ::std::string s_;
};
上面列出的三个特殊成员函数都不需要写。好处是明显的：当你增减 T 的成员变量时，你不必到T(T const&) 和 operator=() 中去相应地增减。
               
3) 没有现成的算法可以对 CArray 进行操作，而标准 C++ 里的标准算法大多都可以直接在
::std::vector 上运行。例如：
static int const init_vals[] = { 3, 1, 4, 1, 6, 9 };
vector[i] a( init_vals, init_vals + 6 );
*find( a.begin(), a.end(), 6 ) = 5;　　// 把6改成5
sort( a.begin(), a.end() );　　// 排序。
可以说，CArray 的主要设计错误是把一个本来应该是一个简单的“值”类型的东西设计成一个难用的“对象”类型了。所有的“值”的好特性都丧失了，但那些从CArray继承的派生类呢？
CByteArray等的问题与 CArray 的问题一样，甚至更多(例如，CPtrArray，永远不要用)。
同样，其他的 MFC container 模板，象 CMap, CList 等，都有类似问题，都应该用
::std::map，::std::list 等设计更好的东西代替。
2. ::std::vector 在哪里?
::std::vector 在头文件  中定义:
(注意，标准的 C++ 头文件都没有 .h 后缀，有 .h 的文件是与 C 兼容的，或支持老的不标准的东西，象 [i]。)
namespace std
{
　　template >
　　struct vector
　　{
　　　　// 具体内容稍后讨论
　　};
　　template
　　　　bool operator == ( vector const& a, vector const&　　b );
　　template
　　　　bool operator != ( vector const& a, vector const&　　b );
　　template
　　　　bool operator  const& a, vector const&　　b );
　　template
　　　　bool operator >= ( vector const& a, vector const&　　b );
　　template
　　　　bool operator > ( vector const& a, vector const&　　b );
　　template
　　　　bool operator >= ( vector const& a, vector const&　　b );
}
vector 定义在 namespace std 中，使用时为了减少击键次数，通常使用一个类型定义缩短类型名称：
#include
typedef ::std::vector[i] IntVector;
IntVector a;
IntVector b( a );
IntVector c;
c = b;
assert( a == c );
请注意  中定义了六个 vector 的比较函数。这些函数只在真的用到时才会被实例化，才会要求 T 也提供 operator==() 和 operator：用于提供一个用户定义的存储管理类。由于这个参数很少用到，而且在 VC++6 的实现中有问题，不能用，因此以下的讨论忽略这一部分的内容。
               
3. ::std::vector 中的类型定义
vector 中定义了一些类型，下面只列出常用的：
typedef T value_type;
typedef T0 iterator;
typedef T1 const_iterator;
typedef T2 reverse_iterator;
typedef T3 const_reverse_iterator;
value_type 就是 vector 的元素类型，也就是 T。当写通用的算法处理任意类型的 vector 或其他容器类型时是很有用的。
iterator/const_iterator 是两个 vector 的实现定义的未知类型，用于访问vector 中的元素，类似于 T*/T const* 指针，他们的区别是一个指向的元素可被修改，另一个只可以读：
typedef ::std::vector[i] IntVector;
IntVector::iterator iter;
IntVector::const_iterator c_iter;
// ...
++iter; iter++; // ok: increment, post-increment.
--iter; iter--; // ok: decrement, post-decrement.
++c_iter; c_iter++; // ok: increment, post-increment.
--c_iter; c_iter--; // ok: decrement, post-decrement.
*iter = 123; // ok.
int k = *iter; // ok.
k = *--c_iter; // ok.
*c_iter = k; // error.
c_iter = iter; // ok: iterator is convertible to const_iterator.
iter = c_iter; // error: can't convert const_iterator to iterator.
在使用上 iterator/const_iterator 和 T*/T const* 基本相同，事实上有些vector 的实现里就是用 T*/T const* 实现 iterator/const_iterator 的，但又不可以把 iterator/const_iterator 当作真正的 T*/T const*：
T* p = iter; // may fail to compile.
T const* q = c_iter; // may fail to compile.
reverse_iterator/const_reverse_iterator 与 iterator/const_iterator 类似，但以相反的次序(从尾至头)访问 vector 中的元素。
各种各样的 iterator 在 STL 中有特别重要的意义，但这里我们不做具体介绍。只要理解通过 iterator 可以访问 vector 中的元素，大概相当于一个指示位置的指针就行了。
4. ::std::vector 的构造
vector 提供了以下构造函数：(忽略 allocator 参数)
vector();
vector( size_t n, T const t=T() );
vector( vector const & );
vector( const_iterator first, const_iterator last );
1) vector();
构造一个空的 vector，不包含任何元素。
IntVector v1; // 空的整数向量。
2) vector( size_t n, T const t=T() );
构造一个 n 个相同元素 t 组成的 vector。如果不给出 t，那么将用 T() 做缺省值:
IntVector v2( 100, 1234 ); // 100 个 1234.
IntVector v3( 100 ); // 100 个 0。
3) vector( vector const& other );
复制构造函数，复制 other 中的内容：
IntVector v4( v2 ); // 100 个 1234。
               
4) vector( const_iterator first, const_iterator last );
事实上，这个构造函数应该为
template
　　vector( Iter first, Iter last );
即拷贝任意的序列 [first,last) 到 vector 中。由于 VC++6sp0 编译程序的限制， Iter 被换为 const_iterator 了。不过，碰巧 const_iterator就是 T const*，所以可以如下使用：
int a[] = { 1, 2, 3, 4, 5 };
IntVector v5( a, a + 5 ); // {1,2,3,4,5}
IntVector v6( v5.begin() + 2, v5.end() ); // {3,4,5}
5. 访问 vector 中的元素
以下成员函数/运算符用于访问 vector 中的一个元素:
T& at( size_t n );
T const& at( size_t n ) const;
T& operator [] ( size_t n );
T const& operator [] ( size_t n ) const;
T& front();
T const& front() const;
T& back();
T const& back() const;
请注意，由于 vector 是一个“值”语义的对象，所有的操作函数都必须严格保证 const 的正确性。所以，所有的元素访问方法都有 const 和非 const两个版本。
at(n) 和 operator [] (n) 都返回下标为 n 的元素的引用，他们的区别是，at() 进行下标越界检查，若发现越界，抛出 range_error 异常，operator[]不进行下标检查。
front() 返回下标为 0 的元素的引用，back() 返回最后一个元素的引用。
int a[] = { 4, 1, 4, 1, 5, 8 };
IntVector v( a, a + 6 );
// 使用 front(), back():
v.front() = 3;
v.back() = 9;
// 使用 operator [] ():
for( size_t i = 0; i
6. ::std::vector 的存储管理
以下成员函数用于存储管理：
void reserve( size_t n );
size_t capacity() const;
void resize( size_t n, T t=T() );
void clear();
size_t size() const;
bool empty() const { return size() == 0; }
size_t max_size() const;
               
另外，push_back(), insert() 等也涉及到存储管理，后面另行介绍。
1) max_size()
返回 vector 理论上可以装的最多 T 的个数。这只是一个理论上的数字， 大概是 4GB/sizeof(T)，没有多大实用价值。在程序中不要用。
2) size()
返回 vector 中实际装的 T 的个数。相当于 CArray::GetSize()。
3) empty()
如果 vector 中没有任何 T 对象，返回 true。也就是返回 size() == 0。
4) clear();
清除 vector 中的所有 T 对象。执行后 empty() 返回 true。大致相当于 resize(0)，但不要求 T 可被缺省构造。相当于 CArray::RemoveAll()。
5) resize( size_t n, T t = T() );
将 vector 中的元素个数设置为 n，n 可以大于 size() 也可以小于 size。如果 n 小于 size()，那么 vector 中下标为 n..size()-1 的元素都将被解构。如果 n > size()，那么将在 vector 的后面新增加
n - size() 个相同的元素 t。在增大 vector 时，可能发生存储再次分配。总之，调用resize( n, t ) 后，(size() == n) 成立。
请注意，如果调用 resize( n ) 不带参数 t ，那么 T 必须可以缺省构造。
6) reserve( size_t n );
事先分配至少可以保存 n 个 T 对象的空间。调用后 (capacity() >= n)成立。
7) capacity();
返回已经分配的存储空间够容纳的 T 类型对象的个数。后续的增加元素操作(如 push_back(), insert())如果增加元素后 vector 中的总元素个数不超过 capacity()，那么 vector 的实现保证不重新分配存储空间。
vector 管理的动态存储空间是连续的。执行操作
IntVector v(7, 1); // seven ones.
v.reserve( 12 );
后，v 的状态可以用下图表示:
/--size()---\
|1|1|1|1|1|1|1|-|-|-|-|-|
\--capacity()---------/
其中，1 是已经构造的 int 类型的对象，- 是可以构造一个 int 类型的对象，但还没有构造的原始空间。再执行
v.push_back( 2 );
v.push_back( 3 );
后，v 的状态可用下图表示：
/----size()-----\
|1|1|1|1|1|1|1|2|3|-|-|-|
\----capacity()-------/
执行 resize( 11, 4 ); 后：
/----size()---------\
|1|1|1|1|1|1|1|2|3|4|4|-|
\----capacity()-------/
capacity() >= size() 总是成立的。对于下标为 [size()..capacity()-1]的未构造对象的存储空间，是不可以访问的：
v[11] = 5; // undefined behavior - anything can happen.7. 添加元素到 vector 中
               
下列操作添加元素到 vector 中，并可能引起存储分配：
void push_back( T const& t );
void insert( iterator pos, T const& t=T() );
void insert( iterator pos, size_t n, T const& t );
template
　　void insert( iterator pos, Iter first, Iter last );
push_back() 是把一个元素添加到 vector 的末尾。insert() 是把一个 t，或 n 个 t，或从 first 开始到 last 结束的一个序列插入到 pos 指示的位置之前。
当插入元素后 size() 将会大于 capacity() 时，将引起自动存储分配。vector 将会分配一个比需要的存储区大若干倍(通常是1.5到2)的新的存储区，把老的元素拷贝过去，同时完成添加或插入，然后释放老的存储区。
这就是说，vector 自动存储分配的空间大小是指数式增长的，这可以保证多次添加元素到 vector 中时，平均用时是接近于常数的。
IntVector v;
// add 0, 1, ..., 99 to v:
for( int i = 0; i 8. 删除元素
下列成员函数完成元素删除：
void erase( iterator );
void erase( iterator first, iterator last );
void pop_back();
void clear();
这些函数分别删除一个，一串，最后一个，或全部元素。
IntVector v;
for( int i = 0; i
注意，删除操作不会引起存储分配，因此 capacity() 不变。
               
9. 作为序列访问 vector 中的元素
序列(sequence)在 STL 中是一个非常重要的概念，所有的容器类型和算法都涉及到，而且所有的算法都是建立在“序列”这个概念之上的。
“序列”是一个线性结构，由一个指示其起始和一个指示结束的叠代子(iterator)来决定。如果 first 和 last 是某种类型的叠代子，那么经常用[first, last) 来表示一个序列。注意，first 指向的元素是这个序列的一个元素，而 last 指示的是这个序列最后一个元素之后的位置，可能根本没有元素可以访问。这种半闭半开的区间表示是整个 C++ 标准中的约定，而且确实可以简化程序。
叠代子是传统的 C/C++ 中指针的抽象和进一步分类。在 C++ 中把 iterator划分为 input iterator, output iterator, forward iterator,bidirectional iterator, random access iterator 五类。其中的 randomaccess iterator 是最强的一类，即允许的操作最多。C++ 中的指针类型以及vector/deque 的 iterator/const_iterator/reverse_iterator/const_reverse_iterator 都满足 random access iterator 的要求。
vector 中定义了以下函数用于获取被控制(管理的)序列(动态数组)的各种叠代子：
iterator begin();
iterator end();
const_iterator begin() const;
const_iterator end() const;
reverse_iterator rbegin();
reverse_iterator rend();
const_reverse_iterator rbegin() const;
const_reverse_iterator rend() const;
这里我们不讨论叠代子的一般概念，只举几个 random access iterator 的例子：
int a[] = { 1, 2, 3, 4, 5, 6 };
[a, a + 6) 是一个随机访问序列，指示了 a[] 中的所有元素。这里叠代子的类型为 int*。
[a + 2, a + 4) 也是一个序列，指示了 a[] 中的 3, 4 两个元素。叠代子的类型仍然是 int*。
IntVector v( 100, 1 ); // 100 个 1。
[v.begin(), v.end()) 是一个随机访问序列，指示了 v 中的所有元素，叠代子的类型是 IntVector::iterator。
[v.begin() + 10, v.end() - 20 ) 也是一个随机访问序列，指的是 v 中除了头 10 个和尾 20 个元素外的其它元素。
[v.rbegin(), v.rend() ) 是一个随机访问序列，指的是 v 中的所有元素，但与 [v.begin(), v.end() ) 不同，这个序列是从尾到头遍历所有元素。
[v.rbegin() + 20, v.rend() - 10) 与 [v.begin() + 10, v.end() - 20 )指示的元素相同，但遍历顺序相反。
下图是有十个元素的 vector 的 begin()/end()/rbegin()/end() 的示意：
begin() ----------> end()
　|　　　　　　　　　 |
　v　　　　　　　　　 v
|0|1|2|3|4|5|6|7|8|9|
^　　　　　　　　　 ^
|　　　　　　　　　 |
rend()
除了使用 begin()/end()/rbegin()/rend() 来遍历 vector 中的元素外，由于 vector 管理的空间是连续的，因此可以直接取地址进行处理：
::std::vector handles;
handles.push_back( handle1 );
handles.push_back( handle2 );
::WaitForMultipleObjects(handles.size(), &handles[0],TRUE, INFINITE);
这在与 C 库函数接口时尤其有用。
               
10. 赋值和交换
vector 是可以赋值的，这也是一般的“值”类型必须提供的操作：
IntVector v( 100, 123 );
IntVector v1;
v1 = v;
vector 另外还提供了
template
void assign( Iter first, Iter last );
void assign( size_t n, T const& t = T() );
用于赋值：
int a[] = { 1, 3, 5, 7 };
v.assign( a, a + 4 ); // v 将包含 1, 3, 5, 7.
v.assign( 100 ); // 100 个 0。
还有一个很重要的操作：
void swap( vector& v ) throw();
用于交换两个同类型的 vector 的值。它的特点是快速(只需要交换内部的三个指针)，不产生异常。这在写一些保证异常安全的程序时非常有用。
事实上，swap() 基本上已经被当作类似于 operator=() 的一个“值”类型应该提供的基本操作，::std::swap() 也应该为用户定义的类型进行特例化，调用相应的类的成员 swap() 函数：
struct MyVal
{
　// blah blah.
　void swap( MyVal& ) throw();
};
namespace std {
　template
　　void swap( MyVal& a, MyVal& b )
　　{ a.swap( b ); }
}
关于 swap()，值得专文讨论。这里我们只指出，vector::swap() 是快速的，不抛出异常的，很有价值。
11. 使用 vector 时的存储管理策略
从前面的介绍中可以看到，vector 的自动存储分配是指数式的增加存储空间，而且永不缩小已经分配的空间。这在大多数情况下是合适的。 如果应用程序事先知道要用到的元素个数，可以先调用 reserve() 来保留(分配)空间，这样可以避免以后增加元素时不必要的重新分配和元素拷贝：
IntVector v;
v.reserve( 100 );
for( int i = 0; i
请注意，reserve() 和 resize() 是本质上完全不同的。reserve(n) 保留的是未使用而能够使用的原始空间，而 resize(n) 是真的创建了 n 个对象:
IntVector v;
v.resize( 100 ); // v 已经包含 100 个 0.
for( int i = 0; i
有时候，一个 vector 可能增长到较多个元素，然后又减少到较少的元素个数，这时，可能希望缩小 vector 分配的空间以节约内存。CArray 中提供了 FreeExtra()，但 vector 并没有提供相应的函数。这时必须进行复制：
IntVector(v).swap( v );
有一种看法认为拷贝构造函数同时也复制了capacity()，而标准中并没有很明确地指出这一点，因此更安全的方法是
IntVector(v.begin(),v.end()).swap(v);
如果一个 vector 中可能要存储的元素个数较多(例如，超过100个)，而且事先无法确定其个数(因此无法调用 reserve())，那么通常 vector 不是一个恰当的数据结构，应该考虑用 ::std::deque。与 vector 相比，deque不保证背后的存储空间是连续的(因此象上面的WaitForMultipleObjects()中的应用不能用 deque 代替)，但有较好的伸缩性，还可以在数组的前端用 push_front()/pop_front() 增减元素(hence its name, doubly endedqueue)。