深入解剖STL Vector：从底层原理到核心接口的灵活运用

燃于AC之乐2026-01-23 6:04


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文章目录

前言

回想初次接触STL时，面对庞大知识体系和复杂底层实现的那种茫然感，至今记忆犹新。

最近，十几个小时的钻研，无数次的调试与画图，我终于将网上学习，《STL源码剖析》中vector这一章的精华，结合自己的理解整理成文。

这篇文章记录了我啃源码时的一个个"顿悟"时刻------从最初只把vector当作"会变大的数组"，到真正看懂它的迭代器设计、内存管理和性能奥秘。侯捷老师的书让我明白：真正掌握一个工具，必须看到它最底层的模样。

现在我把这份万字长文分享给你。这里有vector的完整解剖图，有每个关键操作背后的源码逻辑，更有从实践中总结的使用技巧。

让我们一起，从使用者变为真正的理解者。

希望这篇文章能成为你深入STL世界的第一步。

1.vector概述

vector的数据安排以及操作方式于array非常相似，二者唯一差别在于对空间的灵活运用。

array是静态空间，一旦配置，不能改变，用户要重新配置空间，移动元素，释放旧空间。vector的内部机制会自行扩充空间。

因此vector给我们带来了很大的灵活性，不用担心空间不够用，而去开一个大array。

vector的技术实现在于对大小的控制 以及数据分配时的移动效率。

引：如果旧空间用满了，每加一个元素就扩容，（配置新空间，挪动数据，释放旧空间），时间成本高，实为不智，所以应有未雨绸缪的考虑。

2.vector的迭代器

vector维护的是一个连续的线性空间，普通的指针可以满足要求，操作行为如：operator*,operator->,operator++,operator--,operator+,operator-,operator+=,operator-=,vector支持随机存取，而普通指针正有这样的能力。

底层代码：

cpp 复制代码 
//vector的迭代器
template <class T, class Alloc = alloc>
class vector {
public:
	typedef T value_type;
	tyoedef value_type* iterator; //vector的迭代器是普通指针
	//...
};

3.vector的数据结构

非常简单，现象连续空间，用两个迭代器start，finish分别指向配置得来的连续空间被已使用的范围，用迭代器end_of_storage指向整块连续空间（含备用空间）的尾端：其实就是最后一个空间的下一个位置。

底层代码：

cpp 复制代码 
template <class T, class Alloc = alloc>
class vector {
	//...
protected:
	iterator start; //目前使用空间的头
	iterator finish; //目前使用空间的尾
	iterator end_of_storage; //目前可用空间的尾
};

为降低空间配置速度成本，vector实际配置的大小可能比用户需求更大，以备扩容，这就是容量（capacity），vector的容量大于等于其大小。

运用start,finish,end_of_storage三个迭代器可以容易实现大小，容量，首尾，判断，[], begin(),end()......

底层代码：

cpp 复制代码 
//用start,finish,end_of_storage实现
template <class T, class Alloc = alloc>
class vector {
	//...
		public:
			iterator begin() { return start; }
			iterator end() { return finish; }
			iterator size() { return size_type(end() - begin()); }
			size_type capacity() const { return size_type(end_of_storage - begin()); }
			bool empty() const { return begin() == end(); }
			reference operator[] (size_type n) { return *(begin() + n); }
			reference front() { return *begin(); }
			reference back() { return *(end() - 1); }

};

4.vector的构造和内存管理

在gcc编译器下是2倍扩容，MSVC是1.5倍扩容。（扩大，size()）

如下：

cpp 复制代码 
#include <iostream>
#include <vector>
#include <algorithm>
using namespace std;

int main()
{
	vector<int> iv(2, 9);
	cout << "size=" << iv.size() << endl; //size=2
	cout << "capacity=" << iv.capacity() << endl; //capacity=2

	iv.push_back(1);
	cout << "size=" << iv.size() << endl; //size=3
	cout << "capacity=" << iv.capacity() << endl; //capacity=4

	iv.push_back(2);
	cout << "size=" << iv.size() << endl; //size=4
	cout << "capacity=" << iv.capacity() << endl; //capacity=4

	iv.push_back(3);
	cout << "size=" << iv.size() << endl; //size=5
	cout << "capacity=" << iv.capacity() << endl; //capacity=8

	iv.push_back(4);
	cout << "size=" << iv.size() << endl; //size=6
	cout << "capacity=" << iv.capacity() << endl; //capacity=8

	for (int i = 0; i < iv.size(); ++i)
		cout << iv[i] << ' ';            //9 9 1 2 3 4  
	cout << endl;

	iv.push_back(5);
	cout << "size=" << iv.size() << endl; //size=7
	cout << "capacity=" << iv.capacity() << endl; //capacity=8

	for (int i = 0; i < iv.size(); ++i)
		cout << iv[i] << ' ';            //9 9 1 2 3 4 5
	cout << endl;

	iv.pop_back();
	iv.pop_back();
	cout << "size=" << iv.size() << endl; //size=5
	cout << "capacity=" << iv.capacity() << endl; //capacity=8

	iv.pop_back();
	cout << "size=" << iv.size() << endl; //size=4
	cout << "capacity=" << iv.capacity() << endl; //capacity=8

	vector<int>::iterator ivite = find(iv.begin(), iv.end(), 1);
	if (ivite != iv.end()) iv.erase(ivite);
	cout << "size=" << iv.size() << endl; //size=3
	cout << "capacity=" << iv.capacity() << endl; //capacity=8
	for (int i = 0; i < iv.size(); ++i)
		cout << iv[i] << ' ';            //9 9 2
	cout << endl;

	ivite = find(iv.begin(), iv.end(), 2);
	if (ivite != iv.end()) iv.insert(ivite, 3, 7);

	cout << "size=" << iv.size() << endl; //size=6
	cout << "capacity=" << iv.capacity() << endl; //capacity=8
	for (int i = 0; i < iv.size(); ++i)
		cout << iv[i] << ' '; //9 9 7 7 7 2
	cout << endl;

	iv.clear();
	cout << "size=" << iv.size() << endl; //size=0
	cout << "capacity=" << iv.capacity() << endl; //capacity=8

}

gcc(linux):

MSVC(vs):

vector提供许多constructors:

底层代码：

cpp 复制代码 
//构造函数，允许指定vector的大小和初值
vector(size_type n, const T& value) { fill_initialize(n, value); }

//填充并初始化
void fill_initialize(size_type n, const T& value)
{
	start = allocate_and_fill(n, value);
	finish = start + n;
	end_of_storage = finish;
}

//配置后填充
iterator allocate_and_fill(size_type n, const T& x)
{
	iterator result = data_allocator::allocate(n);
	uninitialized_fill_n(result, n, x);
	return result;
}

push_back()尾插元素时，检查是否还有备用空间，有就在其上插入元素，调整finish，vector变大，没有，就扩容（重新配置，移动数据，释放旧空间）

底层代码：

（篇幅有限，这里只做简略，全局函数具体实现未详细写出）

cpp 复制代码 
//尾插
void push_back(const T& x)
{
	if (finish != end_of_storage)
	{
		construct(finish, x);
		++finish;
	}
	else
		insert_aux(end(), x);
}

template <class T, class Alloc>
void vector<T, Alloc>::insert_aux(iterator position const T& x)
{
	if (finish != end_of_storage)
	{
		//还有备用空间，在其上构造元素，以最后一个元素为初值
		construct(finish, *(finish - 1))
			++finish;
		T x_copy = x;
		copy_bakword(position, finish - 2, finish - 1);
		*position = x_copy;
	}
	else
	{
		//无备用空间
		const size_type old_size = size();
		const size_type len = old_size != 0 ? 2 * old_zie : 1; //原大小为0，变为1；不为0，变为2倍；前半段放原数据，后半段放新数据
		
		iterator new_start = data_allocator::allocate(len);
		iterator new_finish = new_start;
		try
		{
			new_finish = uninitialized_copy(start, position, new_start);
			construct(new_finish, x);
			++new_finish;
			new_finish = uninitialize_copy(position, finish, new_finish);
		}

        //...
        
		//析构并释放原vector
		destroy(begin(), end());
		deallocate();

		//调整迭代器，指向新的vector
		start = new_start;
		finish = new_finish;
		end_of_storage = new_start + len;
	}
}

动态增加大小，不是在原空间后连续接新空间 ，因为不能保证后面有足够且可分配的空间，以原来两倍的大小配置一块新空间 ，将原来空间的内容拷贝 过来，更新构造元素，释放旧空间。

5.vector的元素操作

pop_back,erase,clear,insert

底层代码：

cpp 复制代码 
//尾删
void pop_back()
{
	--finish;
	destroy(finish);
}

//清除[first,last)所有元素
iterator erase(iterator first, iterator last)
{
	iterator i = copy(last, finish, first);
	destroy(i, finish);
	finish = finish - (last - first);
	return first;
}

//删除某个
iterator erase(iterator position)
{
	if (position + 1 != end())
		copy(position + 1, finish, position); //全局函数
	--finish;
	destroy(finish);
	return position;
}

void clear() { erase(begin(), end()); }

erase逻辑：

insert逻辑：



6.接口具体使用介绍

6.1.constructor

cpp 复制代码 
#include <vector>
#include <iostream>
using namespace std;

//构造与访问
void test_vector1()
{
	vector<int> v1;
	vector<int> v2(10, 1);
	vector<int> v3(v2.begin(), v2.end());

	for (size_t i = 0; i < v3.size(); i++)
	{
		cout << v3[i] << " "; //用[] 访问
	}
	cout << endl;

	vector<int>::iterator it = v3.begin();
	while (it != v3.end())
	{
		cout << *it << " "; //迭代器
		++it;
	}
	cout << endl;

	for (auto e : v3)
	{                       //范围for，底层就是迭代器
		cout << e << " ";
	}
	cout << endl;
}
int main()
{
	test_vector1();
	return 0;
}

6.2.resize

n < size(),删除数据，不缩容，n > size(),空间不够，扩容。

不支持头插，头删， 支持尾插，尾删（v.push_bacK(), v.pop_back()）

6.3.reserve

要求向量容量至少能够容纳n个元素。

若n大于当前向量容量，该函数将导致容器重新分配存储空间，使其容量增加至n（或更大）。

其他情况，string : n比size()小最多也就缩容到size()，不会影响长度，内容。vector: vs,linux 不缩容

cpp 复制代码 
void test_vector2()
{
	//不缩容
	vector<int> v(10, 1);
	v.reserve(20);
	cout << v.size() << endl;
	cout << v.capacity() << endl;

	v.reserve(20);
	cout << v.size() << endl;
	cout << v.capacity() << endl;

	v.reserve(5);
	cout << v.size() << endl;
	cout << v.capacity() << endl;
}

6.4.insert

只支持迭代器

v.insert(v.begin(), 1);

v.insert(v.begin() + 3, 2); 3后插入

为了STL统一，因为后面list那些没有下标的概念。

insert,erase本质上要挪动数据，效率低。

6.5.erase

v.erase(v.begin());

v.rease(v.begin() + 1, begin() + 4); 2~5

cpp 复制代码 
void test_vector3()
{
	vector<int> v(5, 6);
	v.push_back(7);
	v.insert(v.begin(), 1);
	v.insert(v.begin() + 3, 9);
	for (auto e : v)
	{                       
		cout << e << " ";
	}
	cout << endl;

	v.pop_back();
	v.erase(v.begin());
	v.erase(v.begin() + 1, v.begin() + 4);
	for (auto e : v)
	{
		cout << e << " ";
	}
	cout << endl;
}

v.clear()清除所有数据

vector可以比较大小

vector不支持流插入/提取,很灵活。

vector v; （没有\0）不能代替string(有\0，兼容c语言)。string还有很多需求和特性。

vector, vector<vecotr> , (二维数组)，还可存自定义类型， 范围for里面用引用，减少拷贝。

cpp 复制代码 
void test_vector4()
{
	vector<string> v1;
	string s1("xxxx");
	v1.push_back(s1);

	v1.push_back("yyyyy");
	for (const auto& e : v1) //每次都是取得string,&减少拷贝，const不变
	{
		cout << e << " ";
	}
	cout << endl;

		//二维数组 10 * 5
	vector<int> v(5, 1);
	vector<vector<int>> vv(10, v);
	vv[2][1] = 2; //实际是连续的两个operator[][]的调用
	//vv.operator[](2).operator[](1) = 2; 两个operator[]不同
	for (size_t i = 0; i < vv.size(); i++)
	{
		for (size_t j = 0; j < vv[i].size(); ++j)
		{
			cout << vv[i][j] << " ";
		}
		cout << endl;
}
	cout << endl;
}


加油！志同道合的人会看到同一片风景。

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