1: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:
int arr[5] = {1, 2, 3, 4, 5};
与之相比,使用 vector 的方式更加灵活:
#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)。
2: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不同构造方法
#include <iostream>
#include <vector>
using namespace std;int main() {vector<int> v1; // 空 vectorvector<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:
1 2 3 4 5
3: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
#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10cout << "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:
Size: 5
Capacity: 5//说明还没扩容
After resize: 10
Capacity after reserve: 20
Capacity after shrink_to_fit: 10
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。
// 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: 141g++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。
4: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 元素访问
#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:
First element: 1
Last element: 5
Exception: vector::_M_range_check: __n (which is 10) >= this->size() (which is 5)
4.2 修改元素
通过 operator[] 或 at() 直接修改元素内容:
v[0] = 10;
v.at(2) = 20;
5: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使用迭代器遍历 vector
#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:
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
#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:
1 2 3 4 5
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
#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
#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3v.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:
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😂正确示例:
int main() {vector<int> v{1, 2, 3, 4, 4};auto it = v.begin();// 正确的删除写法while (it != v.end()) {if (*it % 2 == 0) {it = v.erase(it); // 返回新的有效迭代器,指向被删除元素的下一个元素} else {++it;}}for (int num : v) {cout << num << " ";}return 0;
}
输出:
1 3
5.3.6 编译器对迭代器失效的处理差异
不同编译器(如 GCC 和 MSVC)对迭代器失效的处理方式不同。GCC 在某些情况下可能会宽容处理失效迭代器,程序不会立即崩溃,但输出结果不确定;MSVC 则会直接抛出错误并导致程序崩溃。示例:GCC 下的宽松处理
#include <iostream>
#include <vector>
#include <algorithm>
using namespace std;int main() {vector<int> v{1, 2, 3, 4, 5};auto it = find(v.begin(), v.end(), 3);// 删除元素3v.erase(it);// 虽然迭代器失效,但在 GCC 下程序可能不会崩溃cout << *it << endl; // 输出不确定return 0;
}
示例:MSVC 下严格处理
#include <iostream>
#include <vector>
#include <algorithm>
using namespace std;int main() {vector<int> v{1, 2, 3, 4, 5};auto it = find(v.begin(), v.end(), 3);// 删除元素3v.erase(it);// 在 MSVC 下,使用失效迭代器会导致程序崩溃cout << *it << endl; // 程序崩溃return 0;
}
5.3.7 扩容后的迭代器失效问题
即使扩容后的程序在 Linux 环境下不会立刻崩溃,但输出结果仍然是不可靠的。以下代码展示了 vector 在 reserve() 扩容后的迭代器失效问题。
#include <iostream>
#include <vector>
using namespace std;int main() {vector<int> v{1, 2, 3, 4, 5};auto it = v.begin();cout << "扩容之前,vector的容量为: " << v.capacity() << endl;// 通过 reserve 扩容v.reserve(100);cout << "扩容之后,vector的容量为: " << v.capacity() << endl;// 迭代器失效,输出结果错误while (it != v.end()) {cout << *it << " "; // 输出结果可能错误++it;}cout << endl;return 0;
}
输出:
1 2 3 4 5 // 正常输出
扩容之前,vector的容量为: 5
扩容之后,vector的容量为: 100
0 2 3 4 5 // 错误输出
5.3.8 总结与建议
避免迭代器失效:进行可能引发迭代器失效的操作(如扩容、删除等)后,必须重新获取迭代器,以保证程序的稳定性。
最佳实践:对于 erase() 操作,使用函数返回的迭代器继续遍历,以避免出现迭代器失效问题。
编译器差异:不同编译器(如 GCC 和 MSVC)对迭代器失效的处理方式不同,在开发跨平台程序时应尤为注意。
6:vector 的插入、删除与修改
6.1 插入操作
vector 提供多种方法用于向容器中插入元素。
方法名 功能描述
push_back() 在末尾插入一个元素
insert() 在指定位置插入元素
emplace_back() 在末尾直接构造元素,避免不必要的复制开销
6.1.1 使用 push_back() 和 insert() 插入元素
#include <iostream>
#include <vector>
using namespace std;int main() {vector<int> v = {1, 2, 3};// 在末尾插入v.push_back(4);// 在第二个位置插入元素5v.insert(v.begin() + 1, 5);for (int val : v) {cout << val << " ";}return 0;
}
输出:
1 5 2 3 4
6.1.2 emplace_back() 与 push_back() 的区别
emplace_back() 直接在容器末尾构造元素,减少了不必要的临时对象生成。适用于复杂对象的插入场景。
6.1.3 使用 emplace_back() 插入元素
#include <iostream>
#include <vector>
using namespace std;struct Point {int x, y;Point(int a, int b) : x(a), y(b) {}
};int main() {vector<Point> points;// 直接在末尾构造对象points.emplace_back(1, 2);cout << "Point: " << points[0].x << ", " << points[0].y << endl;return 0;
}
输出:
Point: 1, 2
6.2 删除操作
vector 提供了多种删除元素的方式,包括删除末尾元素和删除指定位置的元素。
方法名 功能描述
pop_back() 删除末尾元素
erase() 删除指定位置的元素或一段范围内的元素
clear() 清空整个 vector
6.2.1 使用 pop_back() 和 erase() 删除元素
#include <iostream>
#include <vector>
using namespace std;int main() {vector<int> v = {1, 2, 3, 4, 5};// 删除末尾元素v.pop_back();// 删除第一个元素v.erase(v.begin());for (int val : v) {cout << val << " ";}return 0;
}
输出:
2 3 4
6.2.2 使用 clear() 清空 vector
v.clear();
cout << "Vector size after clear: " << v.size() << endl; // 输出:0
6.3 修改元素
通过迭代器或下标可以直接修改 vector 中的元素。
6.3.1 修改 vector 元素
#include <iostream>
#include <vector>
using namespace std;int main() {vector<int> v = {1, 2, 3, 4, 5};// 修改第二个元素v[1] = 10;for (int val : v) {cout << val << " ";}return 0;
}
输出:
1 10 3 4 5