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

2024-10-08 49
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简介： 【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

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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：

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）。

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
#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：

1 2 3 4 5
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

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：

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

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: 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
#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)
4.1.2 相关文档
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;

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
#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
5.2.2 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

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：
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3
    v.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3
    v.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。

第六章：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 示例：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5
    v.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 示例：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 示例：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
6.2.3 相关链接
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 示例：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

写在最后

在C++标准模板库（STL）中，vector 是最常用的顺序容器之一。本文通过详细的代码示例和深入分析，全面介绍了 vector 的构造、容量管理、元素操作、迭代器使用及失效问题等。我们探讨了如何高效处理扩容、删除、迭代等常见操作，避免潜在的迭代器失效问题。同时，结合不同编译器下的行为差异，帮助读者理解和避免 vector 使用中的常见错误。无论你是初学者还是高级开发者，这篇文章都将助你全面掌握 vector 的使用技巧和性能优化策略。


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