C++ STL vector容器详解：从原理到实践

引言

亲爱的小伙伴们，今天我要和大家分享一个C++编程中的"神器"------vector容器！作为STL（标准模板库）中最常用的容器之一，vector就像是一个"超级数组"，既有数组的高效随机访问特性，又能自动调整大小，让你告别固定大小数组的困扰。不管你是刚接触C++的新手，还是想深入理解vector实现原理的老手，这篇博客都能带给你新的收获！

一、什么是vector？

想象一下，你正在收集各种小玩具，但不确定最终会有多少个。用普通数组的话，你得提前决定一个上限，太小了不够用，太大了又浪费空间。这时候，vector就像一个神奇的收纳盒，它能根据你放入的玩具数量自动调整大小！

定义与特点

动态数组：vector是一个能够存放任意类型的动态数组

连续内存：vector中的元素在内存中连续存储，支持高效的随机访问

自动扩容：当空间不足时，vector会自动分配更大的内存空间

类型安全：通过模板机制确保类型安全

vector的内部结构

从实现原理上看，vector内部维护三个关键指针：

指向数据的起始位置 ------ start

指向最后一个元素的下一个位置 ------ finish

指向分配的内存空间的尾端 ------ end_of_storage

!vector内部结构示意图

这就像一个能伸缩的宿舍：

start是宿舍的门口

finish是最后一名同学睡的床位后面一点的位置

end_of_storage是宿舍的墙壁（容量上限）

二、vector的基本操作

创建vector

cpp 复制代码

#include <vector>

// 创建空vector

std::vector<int> vec1;

// 创建包含5个元素的vector，所有元素初始化为0

std::vector<int> vec2(5);

// 创建包含5个元素的vector，所有元素初始化为10

std::vector<int> vec3(5, 10);

// 使用初始化列表（C++11）

std::vector<int> vec4 = {1, 2, 3, 4, 5};

// 从数组创建vector

int arr[] = {1, 2, 3, 4, 5};

std::vector<int> vec5(arr, arr + 5);

// 从另一个vector创建

std::vector<int> vec6(vec5);

这就像不同的方式开party：可以先空着等人来（vec1），可以先邀请5个人（vec2），可以先邀请5个特定的朋友（vec3）...

添加和删除元素

cpp 复制代码

std::vector<int> vec;

// 在尾部添加元素

vec.push_back(10);  // 添加元素10到尾部

// 在指定位置插入元素

vec.insert(vec.begin() + 1, 20);  // 在第二个位置插入20

// 删除尾部元素

vec.pop_back();

// 删除指定位置的元素

vec.erase(vec.begin() + 1);  // 删除第二个元素

// 清空所有元素

vec.clear();

想象一下排队买票：

push_back是有人来排队，自动站到队尾

insert是有人插队到指定位置

pop_back是最后一个人不想排了，离开了

erase是队伍中间某个人离开了

clear是突然下大雨，所有人都散了

访问元素

cpp 复制代码

std::vector<int> vec = {10, 20, 30, 40, 50};

// 使用索引访问

int a = vec[2];  // 获取索引为2的元素（30）

// 使用at函数（带边界检查）

int b = vec.at(3);  // 获取索引为3的元素（40），越界会抛出异常

// 获取第一个和最后一个元素

int first = vec.front();  // 获取第一个元素（10）

int last = vec.back();    // 获取最后一个元素（50）

这就像找教室里的同学：直接叫号（索引）、点名确认（at）、找第一个和最后一个。

三、vector的容量管理

理解vector的容量管理是掌握其高效使用的关键。

size与capacity

size：当前vector中实际元素的个数

capacity：当前vector在不扩容的情况下最多能容纳的元素个数

cpp 复制代码

std::vector<int> vec;

for(int i = 0; i < 10; i++) {

    vec.push_back(i);

    std::cout << "Size: " << vec.size() 

              << ", Capacity: " << vec.capacity() << std::endl;

}

可能的输出结果：

cpp 复制代码

Size: 1, Capacity: 1

Size: 2, Capacity: 2

Size: 3, Capacity: 4

Size: 4, Capacity: 4

Size: 5, Capacity: 8

Size: 6, Capacity: 8

Size: 7, Capacity: 8

Size: 8, Capacity: 8

Size: 9, Capacity: 16

Size: 10, Capacity: 16

这就像一个聚会场地：

size是实际到场的人数

capacity是场地能容纳的最大人数

当人数超过容量时，需要换一个更大的场地

扩容原理

当vector需要更多空间时：

分配一块更大的内存（通常是当前容量的1.5倍或2倍）

将现有元素复制到新内存

释放旧内存

更新内部指针

这个过程叫做重新分配(reallocation)，它是耗时的操作，因为需要复制所有元素。

优化容量管理

cpp 复制代码

// 预留空间，避免频繁扩容

vec.reserve(1000);  // 预分配至少能容纳1000个元素的空间

// 调整大小（会改变size）

vec.resize(100);    // 调整为100个元素，如果扩大则用默认值填充

// 减少容量以适应当前大小

vec.shrink_to_fit();  // C++11引入

reserve是提前租一个足够大的场地，避免中途换场地

resize是主动调整聚会人数

shrink_to_fit是在人到齐后，换一个刚好够用的小场地，节省费用

四、vector的迭代器

迭代器是访问容器元素的统一接口，就像"智能指针"。

cpp 复制代码

std::vector<int> vec = {10, 20, 30, 40, 50};

// 使用迭代器遍历

for(std::vector<int>::iterator it = vec.begin(); it != vec.end(); ++it) {

    std::cout << *it << " ";  // 输出：10 20 30 40 50

}

// C++11引入的范围for循环（语法糖）

for(auto& element : vec) {

    std::cout << element << " ";  // 输出同上

}

// 反向迭代器

for(std::vector<int>::reverse_iterator rit = vec.rbegin(); 

    rit != vec.rend(); ++rit) {

    std::cout << *rit << " ";  // 输出：50 40 30 20 10

}

这就像参观博物馆：

普通迭代器是从入口到出口的参观路线

反向迭代器是从出口回到入口的路线

范围for循环就是跟着导游走，不用担心路线

五、vector的常见陷阱与优化

1. 迭代器失效问题

当vector扩容或删除元素时，迭代器可能会失效：

cpp 复制代码

std::vector<int> vec = {1, 2, 3, 4, 5};

auto it = vec.begin() + 2;  // 指向元素3

vec.insert(vec.begin(), 0);  // 可能导致扩容

// 此时it已失效，使用it将导致未定义行为

解决方法：在可能导致迭代器失效的操作后，重新获取迭代器。

2. 不必要的复制

cpp 复制代码

// 低效的循环添加元素

std::vector<int> vec;

for(int i = 0; i < 10000; i++) {

    vec.push_back(i);  // 可能多次扩容

}

// 优化：预先分配足够空间

std::vector<int> vec2;

vec2.reserve(10000);  // 提前分配空间

for(int i = 0; i < 10000; i++) {

    vec2.push_back(i);  // 避免扩容

}

3. 返回值优化

cpp 复制代码

// 避免不必要的复制

void processVector(const std::vector<int>& vec) {

    // 使用const引用作为参数

}

std::vector<int> createVector() {

    std::vector<int> result = {1, 2, 3};

    return result;  // 编译器会优化，避免不必要的复制

}

六、实际应用案例

案例1：动态二维数组

cpp 复制代码

// 创建10x20的二维数组

std::vector<std::vector<int>> matrix(10, std::vector<int>(20, 0));

// 访问元素

matrix[5][10] = 100;

// 动态调整行数

matrix.resize(15);  // 现在是15x20

案例2：高效字符串分割

cpp 复制代码

std::vector<std::string> split(const std::string& str, char delimiter) {

    std::vector<std::string> tokens;

    std::string token;

    std::istringstream tokenStream(str);

    

    while (std::getline(tokenStream, token, delimiter)) {

        tokens.push_back(token);

    }

    

    return tokens;

}

案例3：自定义对象的存储

cpp 复制代码

struct Student {

    std::string name;

    int age;

    

    Student(const std::string& n, int a) : name(n), age(a) {}

};

std::vector<Student> students;

students.push_back(Student("小明", 18));

students.push_back(Student("小红", 17));

// C++11的emplace_back可以在容器内直接构造对象，避免复制

students.emplace_back("小刚", 19);

总结

vector是C++中最常用的容器之一，它提供了数组的高效随机访问，又克服了数组大小固定的限制。通过深入理解vector的工作原理，你可以更高效地使用它，避免常见陷阱，写出更优雅高效的代码。

记住：合理使用reserve预分配空间、避免不必要的复制、注意迭代器失效问题，这些都是使用vector的关键技巧！

在下一篇博客中，我们将更深入地探讨vector的内存管理机制和更多高级用法。敬请期待！