为什么我不能为 std::vector 元素取别名？答案

【问题标题】：Why I cannot take a alias to a std::vector element?为什么我不能为 std::vector 元素取别名？
【发布时间】：2023-04-05 16:11:01
【问题描述】：

在Rust for C++ programmers 的幻灯片 6 上，有以下代码：

#include <iostream>
#include <vector>
#include <string>

using namespace std;

int main()
{
    vector<string> v;
    v.push_back("Hello");

    string& x = v[0];
    v.push_back("world");

    cout << x << endl;
    return 0;
}

运行它我得到了：

g++ --std=c++11 main.cpp -I . -o main
./main
P▒▒o▒Y ▒▒2.▒8/.▒H/.▒H/.▒X/.▒X/.▒h/.▒h/.▒x/.▒x/.▒▒/.
@▒▒
...

而且它会继续提供更多的东西。我发现了一些关于别名和向量的问题：

但我无法根据它们弄清楚为什么别名不起作用。我查看了关于向量定义的http://en.cppreference.com/w/cpp/container/vector，但它似乎只是在磁盘上分配了继续内存。我知道字符串Hello 和world 分配在程序数据成员的某个位置，就像g++ main.cpp -S 的程序集一样：

...
.lcomm _ZStL8__ioinit,1,1
    .def    __main; .scl    2;  .type   32; .endef
    .section .rdata,"dr"
.LC0:
    .ascii "Hello\0"
.LC1:
    .ascii "world\0"
    .text
    .globl  main
    .def    main;   .scl    2;  .type   32; .endef
    .seh_proc   main
main:
...

如果我不推送第二个元素world，程序会正确运行。因此，为什么别名在第二次推送后丢失了对第一个向量元素的引用？

【问题讨论】：

查看push_back的页面：en.cppreference.com/w/cpp/container/vector/push_back
等等，你正在阅读的幻灯片解释了它。
对不起，这是push_back 文档中的第一句话。 If the new size() is greater than capacity() then all iterators and references (including the past-the-end iterator) are invalidated. 真正的问题是他们为什么要这样做。
如果不这样做，你将如何实现一个为所有元素都拥有一块连续内存的数据结构？你可以想象一些技巧，但到那时，你首先会失去从向量中获得的收益。
是的，这就是问题所在。通常你不能这样做，因为这是分配内存的方式。例如，如果我在向量的末尾添加一个新元素并且我需要增加它的大小，我需要幸运的是，在向量的末尾有空闲内存。我敢打赌，情况绝不会如此，因此需要在一个足以容纳整个结构的洞内的其他地方分配一个完整/全新的内存块。此外，根据动态数组的当前大小，分配更多空间的操作成本非常高 O(n)。

标签： c++ c++11 vector

【解决方案1】：

当调用push_back 方法时，向量可以重新分配已使用的内存，结果引用变得无效。

您可以在向向量添加新元素之前保留足够的内存。在这种情况下，引用将是有效的。例如

vector<string> v;
v.reserve( 2 );

v.push_back("Hello");

string& x = v[0];
v.push_back("world");

这是一个演示程序

#include <iostream>
#include <vector>
#include <string>

int main() 
{
    std::vector<std::string> v;
    v.reserve( 2 );

    v.push_back("Hello");

    std::string& x = v[0];
    v.push_back("world");

    std::cout << x << ' ' << v[1];
    std::cout << std::endl;

    return 0;
}

它的输出是

Hello world

【讨论】：

【解决方案2】：

当您执行第二次 push_back 迭代器和引用时，应假定它们已失效。该向量可能会调整其数据块的大小 - 最有可能在另一个内存位置。

因此，变量引用 x 正在引用未分配的内存，这随后会导致未定义的行为。

【讨论】：

【解决方案3】：

push_back() 调整向量的大小（这是向其添加元素的固有方法）。

这会使引用该向量元素的所有迭代器、指针和引用无效。

通过无效的迭代器、指针或引用（即在调整大小操作之前有效，但之后无效）访问向量的元素会产生未定义的行为。

x 在其初始化之后和输出语句之前发生的push_back() 调用无效

【讨论】：