【C++指南】vector（一）：从入门到详解

倔强的石头1062025-04-01 8:27

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文章目录

    • 一、默认成员函数
      • [1. 默认构造函数](#1. 默认构造函数)
      • [2. 元素数量构造函数](#2. 元素数量构造函数)
      • [3. 迭代器范围构造函数](#3. 迭代器范围构造函数)
      • [4. 初始化列表构造函数（C++11 起）](#4. 初始化列表构造函数（C++11 起）)
      • [5. 拷贝构造函数与赋值运算符](#5. 拷贝构造函数与赋值运算符)
    • 二、迭代器相关函数
      • [1. 基础迭代器](#1. 基础迭代器)
      • [2. 常量迭代器（C++11 起）](#2. 常量迭代器（C++11 起）)
    • 三、容量管理函数
      • [1. 容量与大小控制](#1. 容量与大小控制)
      • [2. 动态调整函数](#2. 动态调整函数)
        • [`resize(n, val)` vs `resize(n)`](#resize(n, val) vs resize(n))
        • [`reserve(n)` vs `shrink_to_fit()`](#reserve(n) vs shrink_to_fit())
    • 四、元素访问函数
      • [1. 下标访问与安全访问](#1. 下标访问与安全访问)
      • [2. 首尾元素访问](#2. 首尾元素访问)
      • [3. 底层数据指针 `data()`](#3. 底层数据指针 data())
    • 五、修改操作函数
      • [1. 尾部操作](#1. 尾部操作)
      • [2. 插入与删除](#2. 插入与删除)
        • [`insert` 的多个重载版本](#insert 的多个重载版本)
        • [`erase` 的用法](#erase 的用法)
      • [3. 内容替换与清空](#3. 内容替换与清空)
    • 六、使用建议和注意事项

std::vector 是 C++ STL 中最核心的动态数组容器，支持高效随机访问和动态扩容。本文从 基础用法 和 深度优化 两个维度，系统解析其构造函数、迭代器、容量管理、元素访问和修改操作，涵盖函数重载、参数差异及相似函数对比，并提供丰富的代码示例。

一、默认成员函数

1. 默认构造函数

  • 语法 ：vector<T> vec;

  • 行为：创建空容器，容量为 0，不分配内存。

  • 示例 ：

    cpp 复制代码 
    std::vector<int> vec; // 空 vector

2. 元素数量构造函数

  • 语法 ：vector<T> vec(n, val);

  • 行为 ：

    • vector<T> vec(n)：创建包含 n 个默认初始化元素的容器（如 int 初始化为 0）。
    • vector<T> vec(n, val)：创建包含 n 个值为 val 的元素的容器。

  • 示例 ：

    cpp 复制代码 
    std::vector<int> vec1(5);     // {0, 0, 0, 0, 0}
std::vector<int> vec2(3, 10); // {10, 10, 10}

3. 迭代器范围构造函数

  • 语法 ：vector<T> vec(iter_start, iter_end);

  • 行为 ：用其他容器的迭代器范围初始化 vector。

  • 示例 ：

    cpp 复制代码 
    std::list<int> lst = {1, 2, 3};
std::vector<int> vec(lst.begin(), lst.end()); // {1, 2, 3}

4. 初始化列表构造函数（C++11 起）

  • 语法 ：vector<T> vec{1, 2, 3};

  • 行为：直接通过列表初始化元素。

  • 示例 ：

    cpp 复制代码 
    std::vector<int> vec = {4, 5, 6}; // {4, 5, 6}

5. 拷贝构造函数与赋值运算符

  • 语法 ：

    cpp 复制代码 
    vector<T> vec2(vec1); // 拷贝构造
vec2 = vec1;          // 赋值运算符

  • 行为：深拷贝容器内容，新旧容器完全独立。

  • 示例 ：

    cpp 复制代码 
    std::vector<int> vec1 = {1, 2, 3};
std::vector<int> vec2(vec1); // 拷贝构造
vec2 = vec1;                // 赋值操作

二、迭代器相关函数

1. 基础迭代器

函数 功能 示例
begin() 返回指向第一个元素的迭代器 auto it = vec.begin();
end() 返回指向末尾（最后一个元素之后）的迭代器 for (auto it = vec.begin(); it != vec.end(); ++it)
rbegin() 返回反向迭代器（从末尾开始遍历） auto rit = vec.rbegin();
rend() 返回反向迭代器的结束位置 while (rit != vec.rend())

2. 常量迭代器（C++11 起）

函数 功能 示例
cbegin() 返回常量正向迭代器 auto cit = vec.cbegin();
cend() 返回常量正向迭代器的结束位置 for (; cit != vec.cend(); ++cit)
crbegin() 返回常量反向迭代器 auto crit = vec.crbegin();
crend() 返回常量反向迭代器的结束位置 while (crit != vec.crend())

示例：

cpp 复制代码 
std::vector<int> vec = {10, 20, 30};
// 正向遍历
for (auto it = vec.begin(); it != vec.end(); ++it) {
    std::cout << *it << " "; // 输出：10 20 30
}
// 常量反向遍历
for (auto crit = vec.crbegin(); crit != vec.crend(); ++crit) {
    std::cout << *crit << " "; // 输出：30 20 10
}

三、容量管理函数

1. 容量与大小控制

函数 功能 示例
size() 返回当前元素数量 int n = vec.size();
capacity() 返回已分配的内存容量 int cap = vec.capacity();
empty() 检查容器是否为空 if (vec.empty()) { ... }

2. 动态调整函数

resize(n, val) vs resize(n)

  • 语法 ：

    cpp 复制代码 
    void resize(size_t n);            // 默认值填充
void resize(size_t n, T val);     // 指定值填充

  • 行为差异 ：

    • resize(5)：若原大小为 3，新增 2 个默认值元素（如 int 为 0）。
    • resize(5, 10)：新增的 2 个元素值为 10。
    • 若 n < size()，超出部分的元素被销毁，但 容量不变。
    • 若n>capacity()，将会引发扩容

示例：

cpp 复制代码 
std::vector<int> vec = {1, 2, 3};
vec.resize(5);       // {1, 2, 3, 0, 0}
vec.resize(3);       // {1, 2, 3}（容量仍可能为 5）
vec.resize(5, 10);   // {1, 2, 3, 10, 10}
reserve(n) vs shrink_to_fit()
  • reserve(n) ：预分配至少 n 个元素的内存，避免频繁扩容。
  • shrink_to_fit() ：请求释放未使用的内存，但 不保证容量等于 size() 。 该函数谨慎使用 因为动态申请的内存不支持分段释放，缩容实际上是开辟了新的空间，释放了原有的空间，会有一定的效率牺牲

示例：

cpp 复制代码 
std::vector<int> vec;
vec.reserve(100);    // 容量为 100
vec.push_back(1);
vec.shrink_to_fit(); // 容量可能变为 1（具体由实现决定）

四、元素访问函数

1. 下标访问与安全访问

特性 operator[] at()
越界检查 assert断言 有（抛出 std::out_of_range）
性能 更高（直接访问） 略低（需检查）
适用场景 已知索引安全时 需要异常处理的场景

示例：

cpp 复制代码 
std::vector<int> vec = {10, 20, 30};
int a = vec[3];      // 未定义行为（可能崩溃或返回垃圾值）
int b = vec.at(3);   // 抛出异常：std::out_of_range

2. 首尾元素访问

函数 功能 示例
front() 访问第一个元素 vec.front() = 5;
back() 访问最后一个元素 vec.back() = 10;

对比 front() 和 begin()：

  • front() 返回元素引用，begin() 返回迭代器。
cpp 复制代码 
std::vector<int> vec = {1, 2, 3};
vec.front() = 10;    // 直接修改首元素
auto it = vec.begin();
*it = 20;            // 通过迭代器修改

3. 底层数据指针 data()

  • 语法 ：T* data();

  • 行为：返回指向底层数组的指针（C++11 起支持）。

  • 示例 ：

    cpp 复制代码 
    std::vector<int> vec = {1, 2, 3};
int* arr = vec.data();     // 获取指针
arr[0] = 10;              // 直接修改元素

五、修改操作函数

1. 尾部操作

函数 功能 示例
push_back(val) 在末尾添加元素（可能触发拷贝/移动） vec.push_back(4);
emplace_back(args) 直接在末尾构造元素（避免临时对象） vec.emplace_back(1, 2.0);
pop_back() 删除末尾元素 vec.pop_back();

push_back vs emplace_back：

  • push_back：需构造临时对象，再拷贝或移动到容器。
  • emplace_back：直接通过参数在容器内构造对象，效率更高。

示例：

cpp 复制代码 
class Data {
public:
    Data(int a, double b) { /* ... */ }
};

std::vector<Data> vec;
vec.push_back(Data(1, 2.0));   // 构造临时对象，再移动
vec.emplace_back(1, 2.0);      // 直接在容器内构造

2. 插入与删除

insert 的多个重载版本

  • 语法 ：

    cpp 复制代码 
    iterator insert(iterator pos, const T& val);   // 插入单个元素
void insert(iterator pos, size_t n, const T& val); // 插入 n 个相同元素
void insert(iterator pos, InputIt first, InputIt last); // 插入迭代器范围
//此范围包含 first 指向的元素，但不包含 last 指向的元素

  • 示例 ：

    cpp 复制代码 
    std::vector<int> vec = {1, 2, 3};
vec.insert(vec.begin() + 1, 5);       // {1, 5, 2, 3}
vec.insert(vec.begin(), 2, 10);       // {10, 10, 1, 5, 2, 3}
std::list<int> lst = {7, 8};
vec.insert(vec.end(), lst.begin(), lst.end()); // 末尾追加 7, 8
erase 的用法

  • 语法 ：

    cpp 复制代码 
    iterator erase(iterator pos);              // 删除单个元素
iterator erase(iterator first, iterator last); // 删除范围元素

  • 示例 ：

    cpp 复制代码 
    std::vector<int> vec = {1, 2, 3, 4, 5};
vec.erase(vec.begin());           // {2, 3, 4, 5}
vec.erase(vec.begin(), vec.begin() + 2); // {4, 5}

3. 内容替换与清空

函数 功能 示例
assign 替换容器内容 vec.assign(3, 5); // {5,5,5}
clear() 清空所有元素（容量不变） vec.clear();
swap 交换两个容器的内容 vec1.swap(vec2);

assign 的重载版本：

cpp 复制代码 
std::vector<int> vec;
vec.assign(3, 5);                // {5, 5, 5}（填充 n 个值）
vec.assign({1, 2, 3});           // {1, 2, 3}（初始化列表）
std::list<int> lst = {7, 8};
vec.assign(lst.begin(), lst.end()); // {7, 8}（迭代器范围）

六、使用建议和注意事项

  1. 构造函数选择 ：
    • 默认构造用 vector<T> vec;，预分配内存用 vector(n)，列表初始化用 {}。
  2. 容量管理 ：
    • 频繁添加元素时优先 reserve()，可以减少频繁扩容的效率降低
  3. 元素访问 ：
    • 安全场景用 operator[]，需异常处理时用 at()。
  4. 修改操作 ：
    • 优先 emplace_back 减少拷贝，批量插入用 insert 的重载版本。
  5. 迭代器使用 ：
    • 常量遍历用 cbegin()/cend()，反向遍历用 rbegin()/rend()。

通过合理选择函数重载和参数，可以显著提升代码的效率和健壮性。

本文完

下篇文章将为读者讲解vector的底层原理和模拟实现

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