C++：vector容器

前言：std::vector 是 C++ 标准模板库（STL）中最常用的容器之一，本质是动态数组，支持动态扩容，兼具数组的高效访问和链表的灵活扩容特性。

一、vector 核心特性

1. 动态大小：初始化时可指定初始大小，后续可自动扩容（无需手动管理内存）。
2. 连续内存：元素在内存中连续存储（同数组），支持随机访问（通过下标快速访问元素）。
3. 模板实现 ：支持存储任意数据类型（如 vector<int>、vector<string>、vector<自定义类>）。
4. 高效性：尾部插入 / 删除元素效率高（时间复杂度 O (1)），中间插入 / 删除效率低（需移动元素，O (n)）。

二、基本使用步骤

1. 头文件与命名空间

#include <vector>  // 必须包含的头文件
using namespace std;  // 简化写法，否则需用 std::vector

2. 初始化方式

// 方式1：默认初始化（空vector）
vector<int> v1;

// 方式2：指定大小和初始值（10个元素，每个值为5）
vector<int> v2(10, 5);

// 方式3：用初始化列表（C++11+）
vector<int> v3 = {1, 2, 3, 4, 5};

// 方式4：复制另一个vector
vector<int> v4(v3);  // v4 是 v3 的副本

三、常用成员函数（操作）

1. 元素访问

函数	功能	示例
operator[]	通过下标访问（无越界检查）	v[2] = 10;
at(index)	通过下标访问（有越界检查，抛异常）	v.at(2) = 10;
front()	获取第一个元素	int first = v.front();
back()	获取最后一个元素	int last = v.back();
data()	返回指向底层数组的指针（直接操作内存）	int* ptr = v.data();

2. 增删元素

函数	功能	示例
push_back(val)	在尾部添加元素	v.push_back(6);
pop_back()	删除尾部元素	v.pop_back();
insert(pos, val)	在指定位置插入元素（pos 是迭代器）	v.insert(v.begin()+2, 99);
erase(pos)	删除指定位置元素	v.erase(v.begin()+1);
clear()	清空所有元素（大小变为 0，容量不变）	v.clear();

3. 容量与大小

函数	功能	示例
size()	返回当前元素个数	int len = v.size();
capacity()	返回当前容量（可容纳的最大元素数）	int cap = v.capacity();
empty()	判断是否为空（size 为 0）	if (v.empty()) { ... }
reserve(n)	预留容量（避免多次扩容）	v.reserve(100);
resize(n, val)	调整大小（多删少补，补 val 默认 0）	v.resize(8, 0);

四、迭代器（遍历元素）

迭代器是访问容器元素的通用方式，类似指针，支持遍历、修改元素：

vector<int> v = {1, 2, 3, 4, 5};

// 正向遍历
for (vector<int>::iterator it = v.begin(); it != v.end(); ++it) {
    cout << *it << " ";  // *it 访问元素
}
// 输出：1 2 3 4 5

// 反向遍历
for (vector<int>::reverse_iterator rit = v.rbegin(); rit != v.rend(); ++rit) {
    cout << *rit << " ";
}
// 输出：5 4 3 2 1

// C++11 简化写法（范围for循环）
for (int num : v) {
    cout << num << " ";
}

五、底层原理（为什么高效？）

1. 内存布局 ：

   元素存储在连续的动态数组 中，底层通过指针管理内存（类似 new int[n]）。

2. 扩容机制 ：

   当 size() == capacity() 时，插入元素会触发扩容：

   • 申请一块更大的内存（通常是原容量的 1.5~2 倍，不同编译器实现不同）。
   • 将原元素复制到新内存。
   • 释放原内存。
     注意：扩容后原迭代器、指针、引用会失效（指向旧内存）。

3. reserve () 的作用 ：

   提前预留容量（如 v.reserve(100)），可避免多次扩容的性能损耗（复制元素耗时）。

六、实战示例：综合操作

#include <iostream>
#include <vector>
using namespace std;

int main() {
    // 初始化一个vector
    vector<string> fruits;
    
    // 添加元素
    fruits.push_back("apple");
    fruits.push_back("banana");
    fruits.insert(fruits.begin(), "orange");  // 在开头插入
    
    // 遍历输出
    cout << "当前水果：";
    for (const string& f : fruits) {  // const 避免修改，& 避免复制
        cout << f << " ";
    }
    // 输出：当前水果：orange apple banana
    
    // 容量与大小
    cout << "\n大小：" << fruits.size()  // 3
         << "，容量：" << fruits.capacity() << endl;  // 可能为4（取决于编译器）
    
    // 修改元素
    fruits[1] = "grape";
    cout << "修改后：" << fruits[1] << endl;  // grape
    
    // 删除元素
    fruits.erase(fruits.end() - 1);  // 删除最后一个元素（banana）
    
    // 清空
    fruits.clear();
    cout << "清空后大小：" << fruits.size() << endl;  // 0
    
    return 0;
}

七、注意事项

1. 避免频繁扩容 ：

   已知大致元素数量时，先用 reserve(n) 预留容量，减少性能损耗。

2. 迭代器失效问题：

   • push_back() 可能导致扩容，使所有迭代器失效。
   • insert()/erase() 会使插入 / 删除位置后的迭代器失效。

3. 与数组的区别：

   • 数组是静态大小（编译期确定），vector 是动态大小（运行期调整）。
   • 数组无需额外内存 overhead，vector 需存储容量等信息（微小开销）。

4. 存储自定义类型 ：

   需确保自定义类有默认构造函数（resize() 等操作会用到）。

八、总结

vector 是 C++ 中最常用的容器，平衡了效率和灵活性，适合需要频繁访问元素、尾部增删的场景（如存储列表数据、临时缓存等）。掌握其底层扩容机制和迭代器使用，能写出更高效、安全的代码。