《C++》STL--vector容器超详细解析

作为C++开发者，vector是我们日常编程中使用频率最高的容器之一。它结合了数组的高效访问和动态扩容的灵活性，是STL中最受欢迎的序列式容器。本文将全面剖析vector的方方面面，帮助读者彻底掌握这个强大的工具。

一、vector概述

1.1 vector的定义

• vector是C++标准模板库(STL)中的一个动态数组容器，它能够存储相同类型的元素，并且可以动态调整大小。与普通数组相比，vector的最大优势在于它能够根据需要自动扩容，无需手动管理内存。

1.2 vector的核心特性

• 动态扩容：自动调整容量以适应元素数量的变化

• 随机访问：支持通过下标直接访问元素，时间复杂度O(1)

• 内存连续：所有元素存储在连续的内存空间中

• 尾部操作高效：在尾部插入和删除元素效率高

• 丰富的接口：提供大量便捷的操作方法

二、vector的基本使用

2.1 头文件与命名空间

• 使用vector需要包含头文件：

#include <vector>

• vector位于std命名空间中，通常我们使用：

using namespace std;

2.2 vector的构造函数

vector提供了多种构造方式：

• 1. 默认构造（空vector）

vector<int> v1;

• 2. 指定大小和初始值

vector<int> v2(5, 10); // 5个元素，每个都是10

• 3. 通过迭代器范围构造

int arr[] = {1, 2, 3};
vector<int> v3(arr, arr + 3);

• 4. 拷贝构造

vector<int> v4(v3);

• 5. C++11初始化列表

vector<int> v5 = {1, 2, 3, 4, 5};

三、vector的常用操作

3.1 元素访问

vector提供了多种访问元素的方式：

我们定义初始化一个vector作为示例：

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

• 1. 使用下标操作符[]（不检查边界）

cout << v[0] << endl; // 1

• 2. 使用at()方法（会检查边界，越界抛出异常）

cout << v.at(1) << endl; // 2

• 3. 访问首尾元素

cout << v.front() << endl; // 1
cout << v.back() << endl;  // 5

• 4. 使用迭代器访问

for(auto it = v.begin(); it != v.end(); ++it) {
    cout << *it << " ";
}

3.2 容量操作

声明一个vector作为示例：

vector<int> v;

• 1. 获取元素数量

cout << v.size() << endl;

• 2. 获取当前容量

cout << v.capacity() << endl;

• 3. 检查是否为空

if(v.empty()) {
    cout << "vector is empty" << endl;
}

• 4. 改变元素数量

v.resize(10); // 将size调整为10

• 5. 预留空间（重要优化手段）

v.reserve(100); // 预先分配100个元素的空间

3.3 修改操作

老样子，声明一个vector作为示例：

vector<int> v;

- 1. 尾部插入
```cpp
v.push_back(1);
v.push_back(2);

- 2.C++11更高效的emplace_back
```cpp
v.emplace_back(3); 

• 3. 尾部删除

v.pop_back();

• 4. 任意位置插入

v.insert(v.begin() + 1, 5); // 在第二个位置插入5

• 5. 任意位置删除

v.erase(v.begin()); // 删除第一个元素

• 6. 清空vector

v.clear();

• 7. 交换两个vector

vector<int> v2 = {4, 5, 6};
v.swap(v2);

四、vector的迭代器

vector支持多种迭代器，使得遍历操作更加灵活：

• 定义一个vector容器作为示例：

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

• 1. 普通迭代器（正向遍历）

for(auto it = v.begin(); it != v.end(); ++it) {
    cout << *it << " ";
}

• 2. 常量迭代器（不允许修改元素）

for(auto it = v.cbegin(); it != v.cend(); ++it) {
    cout << *it << " ";
}

• 3. 反向迭代器（逆向遍历）

for(auto rit = v.rbegin(); rit != v.rend(); ++rit) {
    cout << *rit << " ";
}

五、vector的性能优化

5.1 预分配空间

• vector的自动扩容机制虽然方便，但频繁扩容会影响性能。使用reserve()可以显著提高性能：

vector<int> v;
v.reserve(1000); // 预先分配1000个元素的空间

// 现在插入1000个元素不会触发扩容
for(int i = 0; i < 1000; ++i) {
    v.push_back(i);
}

5.2 使用emplace_back替代push_back

• C++11引入的emplace_back比push_back更高效，特别是对于复杂对象：

vector<pair<int, string>> v;

// push_back需要构造临时对象
v.push_back(make_pair(1, "one"));

// emplace_back直接在容器中构造对象
v.emplace_back(2, "two");

六、vector的迭代器失效问题

6.1 迭代器会失效的情况归纳

• 插入操作：

  • 如果导致vector扩容，所有迭代器失效

  • 否则，插入位置之后的迭代器失效

• 删除操作：

  • 被删除元素及其后的所有迭代器失效

6.2 如何避免迭代器失效

• 正确做法1：使用erase返回值更新迭代器

for(auto it = v.begin(); it != v.end(); ) {
    if(*it == 3) {
        it = v.erase(it); // erase返回下一个有效迭代器
    } else {
        ++it;
    }
}

• 正确做法2：使用算法+erase

v.erase(remove(v.begin(), v.end(), 3), v.end());

七、vector的适用场景

7.1 适合使用vector的场景

• 需要频繁随机访问元素

• 主要在尾部进行插入删除操作

• 元素数量变化不大或可以预估最大数量

• 需要内存连续性的场景（如与C API交互）

7.2 不适合使用vector的场景

• 需要频繁在头部或中间插入删除

• 元素数量变化非常大且无法预估

• 对内存使用有严格限制的场景