C++: vector

C++ std::vector 标准库类型

std::vector 是 C++ 标准库中动态数组的实现,支持自动扩容、随机访问和高效的元素操作。

1. 头文件与基本定义
  • 头文件 :需包含 <vector>

  • 命名空间 :属于 std 命名空间。

  • 基本声明

    cpp 复制代码
    #include <vector>
    using namespace std; // 或显式使用 std::vector

2. 初始化与构造

vector 支持多种初始化方式:

cpp 复制代码
vector<int> v1;             // 默认构造:空 vector
vector<int> v2(5, 100);     // 含 5 个元素,每个值为 100
vector<int> v3 = {1, 2, 3}; // 列表初始化(C++11 起)
vector<int> v4(v3);         // 拷贝构造(v4 与 v3 相同)
vector<int> v5(v3.begin(), v3.end()); // 通过迭代器范围构造

3. 常用操作
(1) 元素访问
  • 下标访问

    cpp 复制代码
    int a = v3[0];     // 访问第一个元素(不检查越界)
    int b = v3.at(1);  // 访问第二个元素(越界抛出 std::out_of_range)
    int c = v3.front(); // 首元素(等价于 v3[0])
    int d = v3.back();  // 尾元素(等价于 v3[v3.size()-1])
  • 范围检查

    cpp 复制代码
    if (!v3.empty()) { // 确保 vector 非空
        cout << v3[0];
    }
(2) 添加元素
  • 尾部插入

    cpp 复制代码
    v1.push_back(30);     // 添加元素 30 到尾部
    v1.emplace_back(40);  // 更高效(C++11,直接在容器内构造对象)
  • 任意位置插入

    cpp 复制代码
    auto it = v3.begin() + 2;
    v3.insert(it, 99);  // 在索引 2 处插入 99 → {1, 2, 99, 3, 4, 5}
​(3) 删除元素
  • 尾部删除

    cpp 复制代码
    v3.pop_back();       // 删除最后一个元素 → {1, 2, 99, 3, 4}
  • 任意位置删除

    cpp 复制代码
    auto it = v3.begin() + 2;
    v3.erase(it);        // 删除索引 2 处的元素 → {1, 2, 3, 4}
    v3.erase(v3.begin(), v3.begin() + 2); // 删除前两个元素 → {3, 4}
  • 清空 vector

    cpp 复制代码
    v3.clear();          // 清空所有元素,size 变为 0

4. 容量管理
(1) 容量与大小
复制代码
int size = v3.size();     // 元素数量
bool isEmpty = v3.empty();// 是否为空
int capacity = v3.capacity(); // 当前分配的存储容量(>= size)
​(2) 调整容量
  • 预分配内存​(避免频繁扩容):

    复制代码
    v3.reserve(100); // 预分配容量为 100,size 不变
  • 调整元素数量

    cpp 复制代码
    v3.resize(10);    // 若 size < 10,填充默认值(int 为 0)
    v3.resize(5);     // 若 size > 5,截断后 5 个元素
    v3.resize(8, 99); // 填充 99 到新增位置

5. 迭代器与范围遍历
(1) 迭代器操作
cpp 复制代码
// 正向迭代器
for (auto it = v3.begin(); it != v3.end(); ++it) {
    cout << *it << " ";
}

// 反向迭代器
for (auto rit = v3.rbegin(); rit != v3.rend(); ++rit) {
    cout << *rit << " ";
}

// C++11 范围 for 循环
for (int num : v3) {
    cout << num << " ";
}
(2) 迭代器失效问题
  • 插入/删除元素可能导致迭代器失效

    cpp 复制代码
    auto it = v3.begin() + 1;
    v3.push_back(10); // 可能导致迭代器失效(若触发扩容)
    // 此时使用 it 是未定义行为!

6. 性能与优化
(1) 动态扩容机制
  • 扩容策略 :当 size 超过 capacity 时,vector 会分配新内存(通常容量翻倍),并将旧元素拷贝到新内存。
  • 时间复杂度
    • 尾部插入(push_back):均摊 O(1)。
    • 中间插入/删除:O(n)。
(2) 高效操作建议
  • 批量插入

    cpp 复制代码
    vector<int> newData = {10, 20, 30};
    v3.insert(v3.end(), newData.begin(), newData.end());
  • 移动语义(C++11)​

    cpp 复制代码
    vector<string> v6;
    string str = "hello";
    v6.push_back(std::move(str)); // 移动而非拷贝,str 变为空

7. 算法与 vector 结合
cpp 复制代码
#include <algorithm>
vector<int> nums = {3, 1, 4, 1, 5};
sort(nums.begin(), nums.end());       // 排序:1, 1, 3, 4, 5
auto it = find(nums.begin(), nums.end(), 4); // 查找元素 4 的位置
reverse(nums.begin(), nums.end());    // 反转:5, 4, 3, 1, 1
​8**. 与数组的对比**
特性 std::vector 原生数组 (int[])
内存管理 自动扩容和释放 手动管理
大小 动态调整 固定大小
访问效率 相同随机访问复杂度(O(1)) 相同
安全性 越界检查(at() 方法) 无检查,越界导致未定义行为

9. 注意事项
  • 越界访问operator[] 不检查越界,at() 会抛出 std::out_of_range
  • 迭代器失效:插入/删除操作可能导致迭代器、指针或引用失效。
  • vector<bool> 特化:避免使用 vector<bool>,其行为类似压缩位数组,与标准容器不一致。
  • 避免频繁插入/删除中间元素 :优先使用 std::liststd::deque
  • 预分配内存 :已知元素数量时,使用 reserve 减少扩容次数。
  • 元素类型要求:需支持拷贝或移动构造函数(如自定义类)。
​10**. 综合示例**
cpp 复制代码
#include <iostream>
#include <vector>
#include <algorithm> // 用于 sort
using namespace std;

int main() {
    vector<int> nums = {3, 1, 4, 1, 5, 9, 2, 6};
    
    // 排序
    sort(nums.begin(), nums.end()); // 1, 1, 2, 3, 4, 5, 6, 9
    
    // 去重
    auto last = unique(nums.begin(), nums.end());
    nums.erase(last, nums.end()); // 1, 2, 3, 4, 5, 6, 9
    
    // 遍历输出
    for (int num : nums) {
        cout << num << " ";
    }
    return 0;
}
11. 总结
核心优势 说明
动态大小 无需预先指定容量,自动调整
随机访问 支持 O(1) 时间访问任意元素
内存安全 自动管理内存,避免泄漏和越界
与算法库无缝协作 支持标准库算法(如 sort, find
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