【C++】Vector完全指南：动态数组高效使用

0. 官方文档

vector

1. vector介绍

Vector 简单来说就是顺序表，是一个可以动态增长的数组。

  1. vector是表示可变大小数组的序列容器。

  2. 就像数组一样，vector也采用的连续存储空间来存储元素。也就是意味着可以采用下标对vector的元素进行访问，和数组一样高效。但是又不像数组，它的大小是可以动态改变的，而且它的大小会被容器自动处理。

  3. 本质讲，vector使用动态分配数组来存储它的元素。当新元素插入时候，这个数组需要被重新分配大小为了增加存储空间。其做法是，分配一个新的数组，然后将全部元素移到这个数组。就时间而言，这是一个相对代价高的任务，因为每当一个新的元素加入到容器的时候，vector并不会每次都重新分配大小。

  4. vector分配空间策略：vector会分配一些额外的空间以适应可能的增长，因为存储空间比实际需要的存储空间更大。不同的库采用不同的策略权衡空间的使用和重新分配。但是无论如何，重新分配都应该是对数增长的间隔大小，以至于在末尾插入一个元素的时候是在常数时间的复杂度完成的。

  5. 因此，vector占用了更多的存储空间，为了获得管理存储空间的能力，并且以一种有效的方式动态增长。

  6. 与其它动态序列容器相比（deque, list and forward_list）， vector在访问元素的时候更加高效，在末尾添加和删除元素相对高效。对于其它不在末尾的删除和插入操作，效率更低。比起list和forward_list统一的迭代器和引用更好。

优点：

  1. 支持下标随机访问，间接的就很好的支持了排序、二分查找、堆算法等等

缺点：

  1. 头部和中部的插入删除效率低。O(N)，因为需要挪动数据。

  2. 插入数据空间不够需要增容，增容需要开新空间，拷贝数据，释放旧空间，会付出很大代价。

2. vector库函数的使用

2.1 vector 的基本构造、拷贝与赋值操作

vector 的默认构造与元素添加

vector<int> v1;  // 创建一个空的整型vector
v1.push_back(1); // 在vector末尾添加元素1
v1.push_back(2); // 在vector末尾添加元素2
v1.push_back(3); // 在vector末尾添加元素3
v1.push_back(4); // 在vector末尾添加元素4

  • vector<int> v1 使用默认构造函数创建一个空的vector容器

  • push_back() 成员函数用于在vector的末尾添加新元素

vector 的拷贝构造

vector<int> v2(v1); // 使用v1作为源创建v2（拷贝构造）

  • 拷贝构造函数 vector<int> v2(v1) 创建一个新vector，其元素是v1元素的完整拷贝

  • 两个vector对象完全独立，修改一个不会影响另一个

vector 的遍历与下标访问

for (size_t i = 0; i < v1.size(); ++i)
{cout << v1[i] << " "; // 使用下标运算符[]访问元素
}

  • size() 成员函数返回vector中元素的数量

  • 可以使用下标运算符 [] 像数组一样访问vector中的元素

vector 的赋值操作

vector<int> v3;
v3.push_back(60);
v3.push_back(61);
v3.push_back(62);
v3.push_back(63);v1 = v3; // 将v3的内容赋值给v1

  • 赋值操作 v1 = v3 会将v3的所有元素复制到v1中

  • 赋值后v1的原始内容会被替换，大小会调整为与v3相同

2.2 vector 的遍历与元素修改

使用下标遍历和修改元素

for (size_t i = 0; i < v.size(); ++i)
{v[i] *= 2;        // 修改元素值cout << v[i] << " "; // 访问元素值
}

  • 使用下标遍历是最直观的方式，类似于操作普通数组

  • 可以通过下标直接修改vector中的元素

使用迭代器遍历和修改元素

vector<int>::iterator it = v.begin(); // 获取指向第一个元素的迭代器
while (it != v.end())                 // 循环直到迭代器指向末尾
{*it *= 2;          // 解引用迭代器并修改元素值cout << *it << " "; // 访问元素值++it;              // 移动迭代器到下一个元素
}

  • 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位置的迭代器

  • 迭代器提供了类似指针的语法来访问和修改元素

使用范围for循环遍历元素

for (auto e : v)
{cout << e << " "; // 访问每个元素
}

  • 范围for循环是C++11引入的语法糖，代码更简洁

  • 编译器会自动将其转换为迭代器操作

  • 注意：这种方式默认是值拷贝，如果需要修改元素，应使用引用 for (auto& e : v)

2.3 vector 的迭代器类型

        一般来说分为三大种：正向、反向、const

普通正向迭代器

vector<int>::iterator it = v.begin();
while (it != v.end())
{*it *= 2;        // 可读写操作cout << *it << " ";++it;
}

  • 普通迭代器允许读取和修改指向的元素

  • 使用 iterator 类型定义，适用于需要修改vector内容的场景

const 正向迭代器

vector<int>::const_iterator it = vt.begin();
while (it != vt.end())
{// *it *= 2;     // 错误：不能修改const迭代器指向的值cout << *it << " "; // 只能读取++it;
}

  • const迭代器指向的元素不能被修改

  • 使用 const_iterator 类型定义，适用于只读访问场景

反向迭代器

vector<int>::reverse_iterator rit = v.rbegin();
while (rit != v.rend())
{cout << *rit << " "; // 从后向前遍历++rit;               // 注意：++操作是向前移动
}

  • 反向迭代器从容器的末尾向开头遍历

  • rbegin() 返回指向最后一个元素的迭代器

  • rend() 返回指向第一个元素之前位置的迭代器

  • ++ 操作使迭代器向前移动（向容器开头方向）

const 反向迭代器

vector<int>::const_reverse_iterator crit = v.rbegin();

  • 结合了反向迭代和const特性的迭代器

  • 可以反向遍历容器，但不能修改元素值

函数参数中的const引用

void print_vector(const vector<int>& vt)
{vector<int>::const_iterator it = vt.begin();while (it != vt.end()){cout << *it << " ";++it;}cout << endl;
}

  • 使用const引用传参 const vector<int>& vt 避免不必要的拷贝

  • 函数内部使用const迭代器确保不会意外修改原始数据

  • 这是C++中常见的编程实践，既能提高效率又能保证数据安全

const对象与const迭代器

  • const对象只能使用const迭代器进行遍历

  • 在实际工程中，const对象常用于函数参数，防止函数内部修改调用者的数据

  • 使用const是正确的编程习惯，可以提高代码的可读性和安全性

2.4 容量相关

下面是一段扩容测试代码，插入1000个数据，观测容量空间变化：

void test_vector4()
{vector<int> v;cout << "making v grow:\n";size_t sz = v.size();for (int i = 0; i < 1000; ++i){v.push_back(i);if (sz != v.capacity()){sz = v.capacity();cout << "capacity changed: " << sz << '\n';}}
}

同样的代码，如下图，左边是linux环境下编译运行出的结果，右边是window的vs编译的结果：

  • 增容次数越少，效率越高，但可能导致的空间浪费越多。

  • 增容次数越多，效率越低，但可能导致的空间浪费越少。

v.reserve(1000);        // 扩容
v.resize(1000);         // 扩大size，额外扩出来的部分会自动补'\0'或自定义字符

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。

2.5 修改与查找

尾部插入元素

vector<int> v;
// 尾插 - 使用 push_back() 在容器末尾添加元素
v.push_back(5);
v.push_back(4);
v.push_back(3);
v.push_back(2);
v.push_back(1);

  • push_back() 是 vector 最常用的添加元素方法

  • 每次调用会在 vector 的末尾添加一个新元素

  • 如果当前容量不足，vector 会自动重新分配更大的内存空间

指定位置插入元素

// 头插 - 使用 insert() 在指定位置插入元素
v.insert(v.begin(), 0);     // 在开头插入元素0
v.insert(v.end(), -1);    // 在结尾插入元素-1

  • insert() 方法可以在任意位置插入元素

  • 第一个参数是迭代器，指定插入位置

  • 第二个参数是要插入的值

  • 在开头插入元素会导致后续所有元素向后移动，效率较低

删除指定位置元素

// 头删 - 使用 erase() 删除指定位置的元素
v.erase(v.begin());  // 删除第一个元素

  • erase() 方法删除指定位置的元素

  • 参数是一个迭代器，指向要删除的元素

  • 删除元素后，后面的所有元素会向前移动

  • 删除开头元素效率较低，因为需要移动所有后续元素

查找操作：使用标准库的 find 算法

// vector 没有提供内置的查找方法// 使用标准库中的 find 算法
vector<int>::iterator pos = find(v.begin(), v.end(), 5);

  • vector 本身不提供查找方法，需要使用标准库的 find 算法

  • find 需要包含 <algorithm> 头文件

  • find 接受三个参数：起始迭代器、结束迭代器和要查找的值

  • 查找范围是左闭右开区间 [first, last)，即包含 first 但不包含 last

处理查找结果

if (pos != v.end())  // 检查是否找到元素
{v.erase(pos);    // 如果找到，删除该元素
}

  • find 返回一个迭代器，指向找到的元素

  • 如果没找到，返回结束迭代器 v.end()

  • 在删除前必须检查是否找到元素，否则可能引发未定义行为

vector 的排序操作：使用标准库的 sort 算法

// 使用标准库的 sort 算法对 vector 排序
sort(v.begin(), v.end());  // 默认升序排序

  • sort 需要包含 <algorithm> 头文件

  • 默认情况下，sort 按升序排列元素

  • sort 使用快速排序算法实现，平均时间复杂度为 O(N log N)

  • 排序范围也是左闭右开区间 [first, last)

2.6 标准库算法的说明

find 算法

// std::find 函数模板声明（简化）
template <class InputIterator, class T>
InputIterator find(InputIterator first, InputIterator last, const T& value);

  • find 是一个函数模板，可用于任何支持迭代器的容器

  • 它在 [first, last) 范围内查找第一个等于 value 的元素

  • 如果找到，返回指向该元素的迭代器；否则返回 last

  • 使用 == 运算符进行比较，因此元素类型必须支持此操作

sort 算法

// std::sort 函数模板声明（简化）
template <class RandomAccessIterator>
void sort(RandomAccessIterator first, RandomAccessIterator last);

  • sort 要求迭代器是随机访问迭代器，vector 的迭代器满足此要求

  • 默认使用 < 运算符进行比较，因此元素类型必须支持此操作

  • 可以自定义比较函数来实现不同的排序规则

2.7 迭代器失效问题

1.增容导致的迭代器失效

看下面这段代码：

void test_vector8()
{vector<int> v;v.push_back(1);v.push_back(2);v.push_back(3);v.push_back(4);v.push_back(5);vector<int>::iterator it = v.begin();v.push_back(6);v.push_back(7);while (it != v.end()){cout << *it << " ";++it;}cout << endl;
}

如果我们把上面的代码修改一下，把push_back(7)注释掉，就可以运行：

        这是为什么呢？这个问题和动态增容有关。

        假设我们插入 7 之前的 v 有6个空间，即 v.capacity() 为6，当我们插入 7 后发生了增容，开辟了一块新的空间，v 的内容全都被拷贝去了新的空间，然而此时 it 迭代器还指向旧空间的 v.begin() ，it 迭代器就失效了。

        因此迭代器失效，实际就是迭代器底层对应指针所指向的空间被销毁了，而使用一块已经被释放的空间，造成的后果是程序崩溃(即如果继续使用已经失效的迭代器，程序可能会崩溃)。

        所以 push_back 、insert 、resize 、reserve 等可能扩容的接口都会导致迭代器失效。

解决办法（正确写法）：

        很简单，不要在初始化迭代器后在调用可能导致扩容的接口就行了。

2.删除导致的迭代器失效

void test_vector9()
{vector<int> v;v.push_back(1);v.push_back(2);v.push_back(3);v.push_back(4);v.push_back(5);v.push_back(6);// 要求删除容器中的所有偶数vector<int>::iterator it = v.begin();while (it != v.end()){if (*it % 2 == 0){v.erase(it);}++it;}for (auto e : v){cout << e << " ";}cout << endl;}

程序又崩溃了：

        当 it 到 2 的位置时，会删掉 2 ，然后后面的数据会往前挪，it++，此时 it 会直接略过 3 ，到 4 的位置。

        也就是说，删除 it 位置的元素后，it 就失效了，这里的失效是 it 迭代器已经失效了，再 ++it 就不行。这个问题在 vs 下会报错，是编译器强制检查的，但是在 gcc 下就不报错，但是结果不对，无法删除掉连续的偶数（比如把3改成30就无法删除30）。

        编译器检查迭代器失效原因：erase删除 it 位置元素后，it 位置之后的元素会往前搬移，没有导致底层空间的改变，理论上讲迭代器不应该会失效，但是：如果 it 刚好是最后一个元素，删完之后 it 刚好是end的位置，而end位置是没有元素的，那么 it 就失效了。因此删除vector中任意位置上元素时，vs就认为该位置迭代器失效了。

        总结：不管哪个平台下，erase(it) 后，it 就失效了，只是导致的结果不一样，总之都有各种各样的问题。

        作为编译器检查迭代器失效的印证，哪怕把代码改成下面这样也会报错（vs 会报错，linux 下正常运行）

解决办法（正确写法）：

        通过官网对 erase 的返回值的介绍，我们可以知道，erase 的返回值是被删除元素的下一个元素的位置。我们只需要改一下代码就可以正常运行了：

void test_vector9()
{vector<int> v;v.push_back(1);v.push_back(2);v.push_back(3);v.push_back(4);v.push_back(5);v.push_back(6);// 要求删除容器中的所有偶数vector<int>::iterator it = v.begin();while (it != v.end()){if (*it % 2 == 0){it = v.erase(it);        // 修改}else{++it;}}for (auto e : v){cout << e << " ";}cout << endl;}

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