STL-vector面试剖析（面试复习4）

[1. 核心机制与底层原理](#1. 核心机制与底层原理)

[Q1: vector 的底层实现原理是什么？](#Q1: vector 的底层实现原理是什么？)

[Q2: vector 的扩容机制（Growth Strategy）是怎样的？](#Q2: vector 的扩容机制（Growth Strategy）是怎样的？)

[2. 内存管理与优化](#2. 内存管理与优化)

[Q3: reserve() 和 resize() 的区别是什么？](#Q3: reserve() 和 resize() 的区别是什么？)

[Q4: size() 和 capacity() 有什么区别？](#Q4: size() 和 capacity() 有什么区别？)

[Q5: 如何释放 vector 的内存？clear() 会释放内存吗？](#Q5: 如何释放 vector 的内存？clear() 会释放内存吗？)

[3. 性能与操作](#3. 性能与操作)

[Q6: push_back 和 emplace_back 的区别？](#Q6: push_back 和 emplace_back 的区别？)

[Q7: vector 在头部或中间插入/删除元素的效率如何？](#Q7: vector 在头部或中间插入/删除元素的效率如何？)

[4. 迭代器失效 (Iterator Invalidation)](#4. 迭代器失效 (Iterator Invalidation))

[Q8: 什么情况下 vector 的迭代器会失效？](#Q8: 什么情况下 vector 的迭代器会失效？)

[5. 进阶/C++11 特性](#5. 进阶/C++11 特性)

[Q9: vector 存储 bool 类型有什么特殊之处？(std::vector)](#Q9: vector 存储 bool 类型有什么特殊之处？(std::vector))

[Q10: 如果 vector 存储的是指针，clear() 会发生什么？](#Q10: 如果 vector 存储的是指针，clear() 会发生什么？)

总结：面试回答策略

1. 核心机制与底层原理

Q1: vector 的底层实现原理是什么？

连续内存： vector 维护的是一块连续的线性内存空间（和数组一样）。
三指针结构： 通常在其内部由三个指针（或迭代器）控制：
1. _Myfirst：指向首元素。
2. _Mylast：指向当前已使用空间的尾部（最后一个元素的下一个位置）。
3. _Myend：指向已分配内存容量的尾部。
动态扩容： 当空间不足时，自动申请更大的空间，将原数据拷贝（或移动）过去，然后释放原空间。

Q2: vector 的扩容机制（Growth Strategy）是怎样的？

这是必考题。

过程： 当 push_back 导致 size() == capacity() 时，vector 会申请一块新的内存块。
倍数： 并不是增加一个元素的大小，而是成倍增长。常见的增长倍数是 1.5倍 (MSVC) 或 2倍 (GCC/Clang)。
步骤：
1. 分配新的内存（例如当前容量的 2 倍）。
2. 将旧内存中的对象拷贝（C++11 后优先使用移动构造）到新内存。
3. 析构旧对象，释放旧内存。
4. 更新指针指向新内存。
为何成倍增长？ 为了保证平摊时间复杂度（Amortized Time Complexity）为 $O(1)$ 。如果每次只扩容 1 个单位，插入 $N$ 个元素的时间复杂度将退化为 $O(N\^2)$ 。

2. 内存管理与优化

Q3: reserve() 和 resize() 的区别是什么？

这是一个极其经典的易混淆点。

特性	reserve(n)	resize(n)
作用	预分配内存容量 (`capacity`)	改变容器中元素的数量 (`size`)
内存分配	如果 $n \> capacity$ ，则重新分配内存	如果 $n \> capacity$ ，则重新分配内存
对象构造	不创建任何对象，仅分配原始内存	创建对象（默认构造或指定值填充）
访问限制	不可访问下标 `[size, capacity)` 之间的内存	可访问下标 `0` 到 `n-1` 的所有元素
应用场景	已知大概数据量，避免频繁扩容带来的性能损耗	需要初始化指定数量的元素时使用

Q4: size() 和 capacity() 有什么区别？

size()： 当前容器中实际存储的元素个数。
capacity()： 当前容器在不重新分配内存的情况下，最多能容纳的元素个数。
关系： 一般情况下 $capacity \\ge size$ 。

Q5: 如何释放 vector 的内存？clear() 会释放内存吗？

clear()：仅仅清空容器中的元素（调用析构函数），size 变为 0，但 capacity 保持不变 。内存不会返还给操作系统。
如何真正释放内存？
1. Swap Trick (经典写法):
  
  C++
  复制代码
```
std::vector<int> v = { ... };
// 创建一个临时空 vector 与 v 交换，临时对象析构时释放原 v 的内存
std::vector<int>().swap(v);
```
2. shrink_to_fit() (C++11):
  
  请求将 capacity 缩小到与 size 匹配的大小（注意：这是一个非强制性请求，但在主流编译器上通常有效）。

3. 性能与操作

Q6: push_back 和 emplace_back 的区别？

push_back： 接收一个已存在的对象或临时对象。如果传入临时对象，通常会触发构造+拷贝/移动构造。
emplace_back： 接收构造函数的参数。它直接在 vector 尾部的内存位置上原地构造对象。
优势： emplace_back 省去了临时对象的构造和析构成本，效率通常更高。

Q7: vector 在头部或中间插入/删除元素的效率如何？

尾部操作： $O(1)$ （平摊）。
头部/中间操作： $O(N)$ 。因为内存是连续的，在非尾部进行插入或删除，必须移动该位置之后的所有元素。
追问： 如果需要频繁在头部插入，应该用什么容器？
- 答：std::deque 或 std::list。

4. 迭代器失效 (Iterator Invalidation)

Q8: 什么情况下 vector 的迭代器会失效？

这是一个非常容易导致程序 Crash 的考点。

扩容导致失效：
- 当进行 push_back、insert 等操作引起内存重新分配（扩容）时，所有指向旧内存的迭代器、指针、引用全部失效。
非扩容时的插入：
- 插入点之后的所有迭代器失效（因为元素被向后移动了）。
删除操作 (erase/pop_back)：
- 被删除位置及其之后的所有迭代器失效。

关键代码陷阱：如何在遍历中删除元素？
C++
复制代码
// 错误写法
for (auto it = v.begin(); it != v.end(); ++it) {
    if (*it == target) v.erase(it); // erase 后 it 失效，++it 导致崩溃
}

// 正确写法

for (auto it = v.begin(); it != v.end(); ) {

if (*it == target) {

it = v.erase(it); // erase 返回指向下一个元素的有效迭代器

} else {

++it;

}

}

5. 进阶/C++11 特性

Q9: vector 存储 bool 类型有什么特殊之处？(std::vector<bool>)

特化版本： std::vector<bool> 不是存储 bool (1字节)，而是为了节省空间进行了位压缩 (Bit-packing) ，每个 bool 只占 1 bit。
坑点：
- 它不是一个标准的 STL 容器。
- operator[] 返回的不是 bool& 引用，而是一个代理对象（proxy object）。
- 不能对其中的元素取地址（如 &v[0]），这会导致编译错误或未定义行为。

Q10: 如果 vector 存储的是指针，clear() 会发生什么？

vector 销毁时只会析构指针变量本身（释放指针所占的内存），而不会调用 delete 去释放指针指向的堆内存。
后果： 造成内存泄漏。
解决： 使用 std::shared_ptr / std::unique_ptr 等智能指针管理对象。

总结：面试回答策略

先说原理： 连续内存、动态扩容。
再说细节： resize vs reserve，size vs capacity。
强调陷阱： 迭代器失效是重中之重。
展示深度： 提一下 emplace_back 的优化和 vector<bool> 的特化。