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 ：

  #include <vector>
  using namespace std; // 或显式使用 std::vector

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​2. 初始化与构造

vector 支持多种初始化方式：

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

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​3. 常用操作

(1) 元素访问

• ​下标访问：

  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：

  if (!v3.empty()) { // 确保 vector 非空
      cout << v3[0];
  }

(2) 添加元素

• ​尾部插入：

  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：

  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：

  v3.pop_back();       // 删除最后一个元素 → {1, 2, 99, 3, 4}

• ​任意位置删除：

  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：

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

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​4. 容量管理

(1) 容量与大小

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）：

  v3.reserve(100); // 预分配容量为 100，size 不变

• ​调整元素数量：

  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

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​5. 迭代器与范围遍历

(1) 迭代器操作

// 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 ：

  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！

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​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：

  vector<int> newData = {10, 20, 30};
  v3.insert(v3.end(), newData.begin(), newData.end());

• ​移动语义（C++11）​：

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

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7. 算法与 vector 结合

#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

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​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::list 或 std::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**

#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）