C++ std::vector及使用时的常见优化策略

std::vector 是 C++ 标准模板库（STL）中的一个动态数组容器。它提供了动态大小调整和高效的随机访问功能，非常适合需要频繁插入、删除和访问元素的场景。std::vector 是在 <vector> 头文件中定义的，并且位于 std 命名空间中。

1. 特点

（1）动态大小调整：std::vector 可以根据需要自动调整其大小。
（2）连续内存存储：std::vector 内部使用连续内存存储元素，这意味着可以通过指针或索引高效地访问元素。
（3）高效的随机访问：支持常数时间的随机访问。
（4）自动管理内存：std::vector 自动管理其内部使用的内存，不需要手动分配和释放。
（5）支持常见容器操作：如插入、删除、遍历等。

2. 常用成员函数

2.1 迭代器

• begin()：返回指向第一个元素的迭代器。
• end()：返回指向最后一个元素之后的迭代器。
• rbegin()：返回指向最后一个元素的逆向迭代器。
• rend()：返回指向第一个元素之前的逆向迭代器。

2.2 容量

• size()：返回当前元素的数量。
• capacity()：返回当前分配的存储容量。
• empty()：检查容器是否为空。
• reserve(size_type new_cap)：请求分配至少能容纳 new_cap 个元素的存储空间。
• shrink_to_fit()：请求减少容量以适应当前大小。

2.3 元素访问

• operator[]：访问指定位置的元素。
• at(size_type pos)：访问指定位置的元素，并进行越界检查。
• front()：访问第一个元素。
• back()：访问最后一个元素。
• data()：返回指向底层数组的指针。

2.4 修改器

• push_back(const T& value)：在末尾添加元素。
• pop_back()：删除末尾的元素。
• insert(iterator pos, const T& value)：在指定位置插入元素。
• erase(iterator pos)：删除指定位置的元素。
• clear()：清空所有元素。
• resize(size_type count, T value = T())：调整容器大小。

示例代码

#include <iostream>
#include <vector>

int main() {
    // 创建一个空的 vector
    std::vector<int> vec;

    // 添加元素
    vec.push_back(10);
    vec.push_back(20);
    vec.push_back(30);

    // 访问元素
    std::cout << "First element: " << vec[0] << std::endl;
    std::cout << "Second element: " << vec.at(1) << std::endl;
    std::cout << "Last element: " << vec.back() << std::endl;

    // 遍历元素
    std::cout << "Elements: ";
    for (const int& elem : vec) {
        std::cout << elem << " ";
    }
    std::cout << std::endl;

    // 在第二个位置插入值为15的元素
    vec.insert(vec.begin() + 1, 15);

    // 删除第三个元素
    vec.erase(vec.begin() + 2);

    // 重新遍历
    std::cout << "Modified elements: ";
    for (const int& elem : vec) {
        std::cout << elem << " ";
    }
    std::cout << std::endl;

    // 调整大小，并将扩展的元素初始化为100
    vec.resize(5, 100);

    // 重新遍历
    std::cout << "Resized elements: ";
    for (const int& elem : vec) {
        std::cout << elem << " ";
    }
    std::cout << std::endl;

    return 0;
}

3. 常见优化策略

在使用 std::vector 时，有一些常见的优化策略可以帮助你提高性能和效率。以下是一些优化建议：

3.1 预分配内存

使用 reserve 方法预分配内存可以减少内存重新分配的次数，从而提高性能。特别是在知道大概需要多少元素时，这非常有用。

#include <vector>

int main() {
    std::vector<int> vec;
    vec.reserve(1000); // 预分配足够的内存

    for (int i = 0; i < 1000; ++i) {
        vec.push_back(i);
    }

    return 0;
}

3.2 避免不必要的拷贝

在传递 std::vector 时，尽量使用引用（const 引用）来避免不必要的拷贝。

#include <vector>

// 使用 const 引用来避免拷贝
void processVector(const std::vector<int>& vec) {
    // 处理 vector
}

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

    return 0;
}

3.3 使用 emplace_back 而不是 push_back

emplace_back 可以直接在容器内构造元素，避免了额外的拷贝或移动操作。

#include <vector>

struct MyStruct {
    int x;
    MyStruct(int val) : x(val) {}
};

int main() {
    std::vector<MyStruct> vec;
    vec.reserve(10); // 预分配内存

    vec.emplace_back(1); // 直接在容器内构造元素
    vec.emplace_back(2);

    return 0;
}

3.4 使用 shrink_to_fit 释放多余内存

在删除大量元素后，可以使用 shrink_to_fit 来释放多余的内存。

#include <vector>

int main() {
    std::vector<int> vec(1000, 1);

    vec.erase(vec.begin(), vec.end() - 500); // 删除前 500 个元素
    vec.shrink_to_fit(); // 释放多余的内存

    return 0;
}

3.5 避免频繁的插入和删除操作

尽量避免在 std::vector 中间进行频繁的插入和删除操作，因为这会导致大量的元素移动。可以考虑使用其他适合频繁插入和删除的容器，如 std::list 或 std::deque。

3.6 使用合适的迭代器

使用迭代器来遍历 std::vector ，避免使用索引访问，尤其是在大型 vector 中，这样可以提高代码的可读性和性能。

#include <vector>
#include <iostream>

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

    // 使用迭代器遍历 vector
    for (auto it = vec.begin(); it != vec.end(); ++it) {
        std::cout << *it << " ";
    }
    std::cout << std::endl;

    return 0;
}

3.7 使用算法库

使用标准库中的算法，如 std::sort、std::find 等，可以提高代码的效率和可读性。

#include <vector>
#include <algorithm>
#include <iostream>

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

    std::sort(vec.begin(), vec.end()); // 使用标准库算法排序

    for (const int& elem : vec) {
        std::cout << elem << " ";
    }
    std::cout << std::endl;

    return 0;
}

3.8 避免多次调用 size() 函数

在循环中多次调用 size() 函数可能会影响性能，尤其是在一些复杂的容器中。可以将 size() 的结果存储在一个变量中，然后在循环中使用这个变量。

#include <vector>
#include <iostream>

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

    size_t size = vec.size(); // 将 size() 的结果存储在变量中
    for (size_t i = 0; i < size; ++i) {
        std::cout << vec[i] << " ";
    }
    std::cout << std::endl;

    return 0;
}

总结
std::vector 是一个强大且灵活的容器，适用于需要动态调整大小、频繁插入和删除操作的场景。它提供了丰富的成员函数和操作，能够满足大多数常见的使用需求。通过理解和掌握 std::vector ，可以大大提高 C++ 编程的效率和代码的可读性。