【C++篇】解密 STL 动态之魂：全面掌握 C++ vector 的高效与优雅

C `vector` 容器详解：从入门到精通

前言

C 标准模板库（STL）是现代 C 编程的基石，其中的容器、算法和迭代器为开发者提供了高效、灵活的数据处理工具。vector 作为 STL 中最常用的顺序容器，不仅支持动态数组的功能，还通过自动内存管理和丰富的操作接口，极大简化了数据操作的复杂性。无论是在日常开发还是算法竞赛中，vector 的高效性和灵活性都使其成为开发者的首选。

本篇文章将带你深入理解 C vector 的内部工作原理与高级用法，从基本的构造与遍历，到迭代器失效问题的深入剖析，再到在不同场景下的优化策略。通过全面、详细的讲解，我们将一步步揭开 vector 的技术细节，让你在掌握 vector 基本使用的基础上，更好地应对复杂的开发需求。

第一章：C `vector` 容器简介

1.1 C STL 容器概述

C 提供了丰富的标准模板库 (STL)，包括 顺序容器（如 vector）、关联容器（如 map、set）等。vector 是最常用的 STL 顺序容器之一，它的特点是支持 动态数组，可以在运行时自动扩展容量，提供高效的随机访问。

1.2 为什么使用 `vector`

与传统的 C 风格数组（T array[N]）相比，vector 具有以下优势：

动态调整大小，无需手动管理内存；
提供了丰富的接口，支持插入、删除、查找等操作；
内置内存管理机制，防止越界访问。

例如，使用 C 风格数组的代码：

代码语言：javascript复制

int arr[5] = {1, 2, 3, 4, 5};

与之相比，使用 vector 的方式更加灵活：

代码语言：javascript复制

#include <vector>
using namespace std;

vector<int> v = {1, 2, 3, 4, 5};  // 自动管理内存和大小

1.3 `vector` 的优缺点

优点：动态扩展、支持随机访问、效率高。
缺点：尾部操作快，但头部插入和删除较慢（涉及到元素移动）。

第二章：`vector` 的构造方法

2.1 常见构造函数

C vector 提供了多种构造方法，可以创建不同初始状态的 vector 对象。

构造函数	功能
vector()	构造一个空的 vector
vector(size_type n, const T& val)	构造包含 n 个元素值为 val 的 vector
vector(const vector& v)	拷贝构造 vector，与已有 vector 一致
vector(initializer_list<T>)	使用初始化列表构造 vector

2.1.1 示例：不同构造方法

代码语言：javascript复制

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

int main() {
    vector<int> v1;                    // 空 vector
    vector<int> v2(5, 100);            // 5个100的元素
    vector<int> v3(v2);                // 拷贝构造
    vector<int> v4 = {1, 2, 3, 4, 5};  // 使用初始化列表

    for (int i : v4) {
        cout << i << " ";  // 输出: 1 2 3 4 5
    }
    return 0;
}

输出：

代码语言：javascript复制

1 2 3 4 5

2.1.2 相关文档

C Reference: vector constructor

第三章：`vector` 容量与大小操作

3.1 容量管理接口

C vector 提供了多种方法管理容器的容量与大小。

方法名	功能描述
size()	返回当前元素个数
capacity()	返回分配的存储空间大小
empty()	判断容器是否为空
resize(n)	将容器大小调整为 n，多出的部分用默认值填充
reserve(n)	预留存储空间，避免多次扩容
shrink_to_fit()	收缩 capacity 以匹配 size() 的大小

3.1.1 示例：容量与大小操作

代码语言：javascript复制

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

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

    cout << "Size: " << v.size() << endl;         // 当前元素个数
    cout << "Capacity: " << v.capacity() << endl; // 当前容量
    v.resize(10, 100);                            // 调整大小到10
    cout << "After resize: " << v.size() << endl;
    v.reserve(20);                                // 预留空间
    cout << "Capacity after reserve: " << v.capacity() << endl;
    v.shrink_to_fit();                            // 收缩容量
    cout << "Capacity after shrink_to_fit: " << v.capacity() << endl;

    return 0;
}

输出：

代码语言：javascript复制

Size: 5
Capacity: 5//说明还没扩容
After resize: 10
Capacity after reserve: 20
Capacity after shrink_to_fit: 10

3.1.2 相关文档

C Reference: vector capacity

3.2 动态扩展与性能问题

当 vector 超过当前容量时，会自动扩展存储空间，通常是翻倍。虽然扩展是自动的，但涉及到内存重新分配，因此建议提前使用 reserve() 预留空间，减少不必要的性能开销。

补充：

capacity的代码在vs和g 下分别运行会发现，vs下capacity是按1.5倍增长的，g 是按2 倍增长的。这个问题经常会考察，不要固化的认为，vector增容都是2倍，具体增长多少是根据具体的需求定义的。vs是PJ版本STL，g 是SGI版本STL。

代码语言：javascript复制

// 测试vector的默认扩容机制
void TestVectorExpand()
{
    size_t sz;
    vector<int> v;
    sz = v.capacity();
    cout << "making v grow:n";
    for (int i = 0; i < 100;   i)
    {
        v.push_back(i);
        if (sz != v.capacity())
        {
            sz = v.capacity();
            cout << "capacity changed: " << sz << 'n';
        }
    }
}
vs：运行结果：vs下使用的STL基本是按照1.5倍方式扩容
making foo grow:
capacity changed: 1
capacity changed: 2
capacity changed: 3
capacity changed: 4
capacity changed: 6
capacity changed: 9
capacity changed: 13
capacity changed: 19
capacity changed: 28
capacity changed: 42
capacity changed: 63
capacity changed: 94
capacity changed: 141

g  运行结果：linux下使用的STL基本是按照2倍方式扩容
making foo grow:
capacity changed: 1
capacity changed: 2
capacity changed: 4
capacity changed: 8
capacity changed: 16
capacity changed: 32
capacity changed: 64
capacity changed: 128

reserve只负责开辟空间，如果确定知道需要用多少空间，reserve可以缓解vector增容的代价缺陷问题。 resize在开空间的同时还会进行初始化，影响size。

第四章：`vector` 元素访问与修改

4.1 元素访问方法

方法名	功能
operator[]	通过下标访问元素，不进行边界检查
at(n)	访问指定位置元素，进行越界检查
front()	返回第一个元素
back()	返回最后一个元素
data()	返回指向数组头部的指针

4.1.1 示例：元素访问

代码语言：javascript复制

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

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

    cout << "First element: " << v.front() << endl; // 访问第一个元素
    cout << "Last element: " << v.back() << endl;   // 访问最后一个元素

    try {
        cout << v.at(10);  // 越界访问
    } catch (out_of_range& e) {
        cout << "Exception: " << e.what() << endl;
    }//异常捕获

    return 0;
}

输出：

代码语言：javascript复制

First element: 1
Last element: 5
Exception: vector::_M_range_check: __n (which is 10) >= this->size() (which is 5)

4.1.2 相关文档

C Reference: vector element access

4.2 修改元素

通过 operator[] 或 at() 直接修改元素内容：

代码语言：javascript复制

v[0] = 10;
v.at(2) = 20;

第五章：`vector` 的迭代器与遍历

5.1 迭代器

vector 提供了多种迭代器类型，便于对元素进行遍历、修改或访问。

迭代器类型	功能
begin()	返回指向容器第一个元素的迭代器
end()	返回指向容器末尾的迭代器
rbegin()	返回指向容器最后一个元素的反向迭代器
rend()	返回指向容器第一个元素之前位置的迭代器
cbegin()	常量迭代器，无法修改元素
cend()	常量迭代器，返回指向末尾的常量迭代器

)

5.1.1 示例：使用迭代器遍历 `vector`

代码语言：javascript复制

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

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

    // 使用正向迭代器遍历
    for (auto it = v.begin(); it != v.end();   it) {
        cout << *it << " ";
    }
    cout << endl;

    // 使用反向迭代器遍历
    for (auto rit = v.rbegin(); rit != v.rend();   rit) {
        cout << *rit << " ";
    }
    cout << endl;

    return 0;
}

输出：

代码语言：javascript复制

1 2 3 4 5 
5 4 3 2 1

5.2 使用 `for_each()` 函数遍历

for_each() 是一种 STL 提供的便捷函数，用于对容器中的每个元素执行指定的操作。

5.2.1 示例：使用 `for_each()` 遍历并输出元素

代码语言：javascript复制

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

void print(int val) {
    cout << val << " ";
}

int main() {
    vector<int> v = {1, 2, 3, 4, 5};
    for_each(v.begin(), v.end(), print);  // 使用for_each输出
    return 0;
}

输出：

代码语言：javascript复制

1 2 3 4 5

5.2.2 相关链接

C vector 迭代器文档
STL for_each 文档

5.3 `vector` 迭代器失效问题（重点）

5.3.1 迭代器失效的原因与后果

vector 迭代器失效的根本原因在于底层内存的重新分配或元素的移除，导致迭代器指向的内存不再有效。当发生迭代器失效时，继续使用该迭代器可能会引发未定义行为，如程序崩溃或访问错误数据。

5.3.2 常见导致迭代器失效的操作

扩容相关操作：当 vector 需要扩展容量时，会分配新的内存空间并将原有元素搬移到新的位置。此时，所有的迭代器将会失效。
- resize()
- reserve()
- insert()
- push_back()
- assign()
删除操作：删除操作会使指向被删除元素及其后续元素的迭代器失效。

5.3.3 扩容操作导致迭代器失效

示例：扩容导致迭代器失效

代码语言：javascript复制

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

int main() {
    vector<int> v{1, 2, 3, 4, 5, 6};
    auto it = v.begin();
    
    // 扩容相关操作导致迭代器失效
    v.resize(100, 8);  // 扩容并填充元素
    // v.reserve(100);  // 扩容但不增加元素
    // v.push_back(7);  // 末尾插入可能引发扩容
    // v.assign(100, 8);  // 重新赋值并扩容

    // 扩容后需要重新获取迭代器
    it = v.begin();

    while (it != v.end()) {
        cout << *it << " ";
          it;
    }
    cout << endl;
    return 0;
}

说明：在每次扩容操作后，vector 可能会分配新的内存空间，并释放原来的内存区域。这意味着之前的迭代器已指向失效的内存，因此在扩容操作后，必须重新获取迭代器。

5.3.4 删除操作导致迭代器失效

删除 vector 中的某些元素时，指向被删除元素及其后续元素的迭代器会失效。

示例：删除导致迭代器失效

代码语言：javascript复制

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

int main() {
    vector<int> v{1, 2, 3, 4};
    
    // 查找元素3的迭代器
    auto pos = find(v.begin(), v.end(), 3);
    
    // 删除元素3
    v.erase(pos);
    
    // 迭代器失效，继续使用将导致程序崩溃或未定义行为
    cout << *pos << endl;  // 非法访问
    return 0;
}

说明：删除某个元素后，指向该元素及其后续元素的迭代器会失效。在删除操作后应重新获取有效的迭代器，以避免出现非法访问或程序崩溃。

5.3.5 删除偶数时的正确和错误写法

错误的删除写法在删除元素后没有正确更新迭代器，会导致迭代器失效，引发未定义行为。

错误示例：

代码语言：javascript复制

int main() {
    vector<int> v{1, 2, 3, 4, 4};
    auto it = v.begin();
    
    // 错误的删除写法，迭代器未更新
    while (it != v.end()) {
        if (*it % 2 == 0) {
            v.erase(it);  // 迭代器失效，  it 导致未定义行为
        }
          it;
    }
    return 0;
}

这里去分析一下会发现it和end两个刚好错过了，it就“离家出走”了

c++ 容器 stl vector 程序

0 人点赞

【C++篇】解密 STL 动态之魂：全面掌握 C++ vector 的高效与优雅

C vector 容器详解：从入门到精通

前言

第一章：C vector 容器简介

1.1 C STL 容器概述

1.2 为什么使用 vector

1.3 vector 的优缺点

第二章：vector 的构造方法

2.1 常见构造函数

2.1.1 示例：不同构造方法

2.1.2 相关文档

第三章：vector 容量与大小操作

3.1 容量管理接口

3.1.1 示例：容量与大小操作

3.1.2 相关文档

3.2 动态扩展与性能问题

第四章：vector 元素访问与修改

4.1 元素访问方法

4.1.1 示例：元素访问

4.1.2 相关文档

4.2 修改元素

第五章：vector 的迭代器与遍历

5.1 迭代器

5.1.1 示例：使用迭代器遍历 vector

5.2 使用 for_each() 函数遍历

5.2.1 示例：使用 for_each() 遍历并输出元素

5.2.2 相关链接

5.3 vector 迭代器失效问题（重点）

5.3.1 迭代器失效的原因与后果

5.3.2 常见导致迭代器失效的操作

5.3.3 扩容操作导致迭代器失效

示例：扩容导致迭代器失效

5.3.4 删除操作导致迭代器失效

示例：删除导致迭代器失效

5.3.5 删除偶数时的正确和错误写法

错误示例：

C `vector` 容器详解：从入门到精通

第一章：C `vector` 容器简介

1.2 为什么使用 `vector`

1.3 `vector` 的优缺点

第二章：`vector` 的构造方法

第三章：`vector` 容量与大小操作

第四章：`vector` 元素访问与修改

第五章：`vector` 的迭代器与遍历

5.1.1 示例：使用迭代器遍历 `vector`

5.2 使用 `for_each()` 函数遍历

5.2.1 示例：使用 `for_each()` 遍历并输出元素

5.3 `vector` 迭代器失效问题（重点）