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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以上就是关于【C++篇】解密 STL 动态之魂：全面掌握 C++ vector 的高效与优雅的内容啦，各位大佬有什么问题欢迎在评论区指正，或者私信我也是可以的啦，您的支持是我创作的最大动力！❤️
