从零到一学习c++（基础篇--筑基期七-vector与迭代器）
从零到一学习C++（基础篇） 作者：羡鱼肘子
温馨提示1：本篇是记录我的学习经历，会有不少片面的认知，万分期待您的指正。
温馨提示2：本篇会尽量用更加通俗的语言介绍c++的基础，用通俗的语言去解释术语。
温馨提示3：看本篇前可以先了解前篇的内容，知识体系会更加完整哦。
从零到一学习c++（基础篇--筑基期六-string）-CSDN博客
标准库类型vector
1. 什么是vector？
vector 的基本概念
定义
-
vector是一个 动态数组（dynamic array），属于C++标准库中的 顺序容器（sequential container）。 -
头文件：
#include -
命名空间：
std::vector
核心特性
-
动态大小：元素数量可以动态增长或缩减。
-
连续存储：元素在内存中连续存放，支持快速随机访问（通过下标）。
-
类型安全：所有元素必须是相同类型
T。 -
自动内存管理：内存由
vector自动分配和释放。
2. 基本用法
声明与初始化
#include
using namespace std;
// 初始化方式
vector v1; // 默认初始化，空vector
vector v2(v1); // 拷贝v1的元素（v1和v2类型必须相同）
vector v3 = v1; // 等价于v2(v1)
vector v4(5, 10); // 5个元素，每个初始化为10
vector v5(5); // 5个元素，默认值初始化（int为0）
vector v6{1, 2, 3}; // 列表初始化（C++11）
vector v7 = {1, 2, 3}; // 等价于v6 添加元素
-
push_back()：在尾部插入元素。 -
emplace_back()（C++11）：直接在容器尾部构造元素（更高效）。 -
insert()：在指定位置插入元素（效率较低，需移动后续元素）。
vector v;
v.push_back(42); // 插入42
v.emplace_back(42); // 直接构造42（避免复制）
v.insert(v.begin(), 100); // 在头部插入100 温馨小贴士：
为什么emplace_back()更高效？
1.
push_back的工作原理假设你有一个类 Person： class Person { public: Person(string name, int age) { cout << "构造函数被调用" << endl; } Person(const Person& other) { cout << "拷贝构造函数被调用" << endl; } };当你使用
push_back时：vectorpeople; people.push_back(Person("Alice", 25)); 发生了什么呐？
构造临时对象：先调用构造函数
Person("Alice", 25)，创建一个临时对象。拷贝到容器：再调用拷贝构造函数，将这个临时对象复制到
vector的内存中。销毁临时对象：临时对象被销毁。
多了一次额外的拷贝操作呢！
2.
emplace_back的工作原理改用
emplace_back：people.emplace_back("Alice", 25);发生了什么？
直接构造：直接在
vector的内存空间中调用构造函数Person("Alice", 25)。没有临时对象：不创建临时对象，因此没有拷贝操作！
3. 为什么更高效？
push_back：需要先构造对象，再拷贝到容器（如果对象很大，拷贝成本高）。
emplace_back：直接在容器内存中构造对象，跳过了临时对象和拷贝步骤。性能提升：尤其对复杂对象（如包含大量数据的类）效果显著。
4. 技术原理
可变参数模板：
emplace_back使用 C++11 的可变参数模板，可以接受任意数量和类型的参数。完美转发：将这些参数直接传递给对象的构造函数，实现“原地构造”（in-place construction）。
5. 对比示例
情况1：简单类型（如
int）vectorv; v.push_back(20); // 构造临时int(20)，然后复制（或移动） v.emplace_back(20); // 直接构造，没有区别（但对int来说，优化不明显）
对简单类型，性能差异不大，但
emplace_back仍更优。情况2：复杂对象
class BigData { public: BigData(int size) { /* 分配大量内存 */ } BigData(const BigData& other) { /* 深拷贝，成本高！ */ } }; vectorvec; vec.push_back(BigData(1000)); // 1次构造 + 1次拷贝（代价高） vec.emplace_back(1000); // 仅1次构造（无拷贝）
对复杂对象，
emplace_back节省了深拷贝的时间。6. 什么时候用
emplace_back？
当对象的构造函数需要参数时，优先用
emplace_back。需要插入临时对象或直接传递参数时，用它更高效。
简单类型（如
int）可以用，但性能提升不明显。总结：
emplace_back通过直接在容器内存中构造对象，避免了临时对象的创建和拷贝操作，是 C++11 后更高效的插入方式！
访问元素
-
v[n]：通过下标访问，不检查越界（类似数组）。 -
v.at(n)：通过下标访问，越界抛出std::out_of_range异常。 -
v.front()：返回第一个元素。 -
v.back()：返回最后一个元素。
cout << v[0]; // 访问第0个元素（不检查越界）
cout << v.at(1); // 访问第1个元素（越界会抛出异常）（推荐）
cout << v.front(); // 第一个元素（即v[0]）
cout << v.back(); // 最后一个元素（即v[v.size()-1]）删除元素
-
pop_back()：删除尾部元素。 -
erase()：删除指定位置的元素（返回指向下一个元素的迭代器）。 -
clear()：清空所有元素。
v.pop_back(); // 删除最后一个元素
v.clear(); // 清空所有元素
v.erase(v.begin() + 1); // 删除第2个元素（迭代器位置）大小与容量
vector 的内存管理
-
size()：当前元素个数。 -
capacity()：当前分配的存储空间能容纳的元素数量。 -
resize(n)：调整size为n，多出的元素默认初始化。 -
reserve(n)：预分配至少能容纳n个元素的内存（避免频繁扩容）。
动态扩容机制
-
当插入元素超过当前
capacity时，vector会重新分配更大的内存（通常是翻倍）。 -
扩容成本：需要拷贝所有元素到新内存，并释放旧内存。
-
优化策略：如果预先知道元素数量，使用
reserve()减少扩容次数。
int size = v.size(); // 当前元素个数
bool isEmpty = v.empty(); // 是否为空
v.resize(10); // 调整大小为10（多出的元素默认初始化）
int cap = v.capacity(); // 当前分配的内存能容纳的元素数量
v.reserve(100); // 预分配内存（避免频繁扩容）
vector v;
v.reserve(100); // 预分配100个元素的内存
for (int i = 0; i < 100; ++i) {
v.push_back(i); // 不会触发扩容
} 3. 遍历vector
方法1：下标遍历
for (int i = 0; i < v.size(); i++) {
cout << v[i] << " ";
}方法2：迭代器遍历
vector 的迭代器
-
迭代器提供了统一的访问容器元素的方式。
-
begin()和end()返回指向首元素和尾后元素的迭代器。 -
范围for循环（C++11）底层依赖迭代器。
for (auto it = v.begin(); it != v.end(); it++) {
cout << *it << " ";
}温馨小贴士：
vector的迭代器是 随机访问迭代器（支持it + n操作）。修改
vector（如push_back）可能导致迭代器失效。
以下操作会导致
vector的迭代器、指针或引用失效：
插入元素：如果引发扩容，所有迭代器失效。
删除元素：被删除元素之后的迭代器失效。
性能建议
避免在中间位置频繁插入或删除（时间复杂度 O(n)）。
优先使用
emplace_back代替push_back（减少拷贝开销）。vectorv = {1, 2, 3}; auto it = v.begin(); v.push_back(4); // 可能导致扩容，it失效！ cout << *it; // 未定义行为！
方法3：范围循环（C++11+）
for (auto num : v) {
cout << num << " ";
}对比其他容器
| 容器 | 特点 |
|---|---|
vector |
动态数组，尾部操作高效，支持随机访问，内存连续 |
list |
双向链表，任意位置插入/删除高效，不支持随机访问 |
deque |
双端队列，头尾插入/删除高效，支持随机访问 |
array |
固定大小数组，不支持动态扩容 |
4. 重要特性小结
动态扩容
-
当插入元素超过当前容量时，
vector会自动分配更大的内存（通常是当前容量的2倍）。 -
频繁扩容会影响性能，可以用
reserve()预先分配足够空间。
元素连续存储
-
所有元素在内存中是连续存放的，类似数组。
-
支持指针算术操作（例如
&v[0]是首元素地址）。
5. 注意事项
-
越界访问：
v[i]不会检查越界，但v.at(i)会抛出std::out_of_range异常。 -
迭代器失效：
-
在修改
vector（如插入、删除）后，旧的迭代器可能失效。 -
例如，
push_back可能导致内存重新分配，之前的迭代器指向无效地址。
-
-
性能：
-
尾部插入/删除（
push_back/pop_back）高效（O(1)时间）。 -
中间插入/删除需要移动元素，效率较低（O(n)时间）。
-
6. 示例代码
#include
#include
using namespace std;
int main() {
vector v; // 空vector
v.reserve(10); // 预分配内存
for (int i = 0; i < 10; ++i) {
v.emplace_back(i); // 插入0~9
}
// 修改元素
v[0] = 100;
// 删除偶数
for (auto it = v.begin(); it != v.end(); ) {
if (*it % 2 == 0) {
it = v.erase(it); // erase返回下一个有效迭代器
} else {
++it;
}
}
// 输出结果
for (int num : v) {
cout << num << " ";
}
// 输出：100 1 3 5 7 9
return 0;
} 7. 什么时候用vector？
-
需要频繁在尾部添加/删除元素。
-
需要随机访问元素（通过下标）。
-
不确定元素数量，需要动态调整大小。
通过以上的学习，我们接触到了一个新的词：迭代器 ，那么什么是迭代器呢？
迭代器 （强化概念）
1. 迭代器的基本概念
什么是迭代器？
-
迭代器是访问和操作容器（如
vector、list、map等）元素的通用机制。 -
行为类似指针：可以解引用（
*it）访问元素，用箭头操作符（->）访问成员，支持移动（++it、--it）。 -
迭代器是容器和算法之间的桥梁，使得算法可以独立于容器类型工作。
为什么需要迭代器？
-
提供统一的元素访问方式，避免直接操作容器内部结构。
-
支持泛型编程（例如
sort()函数可以对所有支持随机访问迭代器的容器排序）。
2. 迭代器的基本操作
获取迭代器
vector v = {1, 2, 3};
auto it_begin = v.begin(); // 指向第一个元素的迭代器
auto it_end = v.end(); // 指向尾后元素（最后一个元素的下一个位置） 常用操作
| 操作 | 说明 |
|---|---|
*it |
解引用，获取迭代器指向的元素 |
it->mem |
访问元素的成员（等价于 (*it).mem） |
++it / it++ |
移动到下一个元素 |
--it / it-- |
移动到上一个元素（仅双向或随机访问迭代器支持） |
it1 == it2 |
判断两个迭代器是否指向同一位置 |
it + n / it - n |
随机访问迭代器支持跳跃（如 vector） |
3. 迭代器类型
迭代器类别
C++ 标准库定义了 5 类迭代器（从功能弱到强排序）：
-
输入迭代器（Input Iterator）：只读，单遍扫描（如
istream_iterator）。 -
输出迭代器（Output Iterator）：只写，单遍扫描（如
ostream_iterator）。 -
前向迭代器（Forward Iterator）：可读写，多遍扫描（如
forward_list的迭代器）。 -
双向迭代器（Bidirectional Iterator）：可前向和后向移动（如
list的迭代器）。 -
随机访问迭代器（Random Access Iterator）：支持所有指针算术操作（如
vector、deque的迭代器）。
不同容器的迭代器类型
| 容器 | 迭代器类型 |
|---|---|
vector |
随机访问迭代器 |
deque |
随机访问迭代器 |
list |
双向迭代器 |
forward_list |
前向迭代器 |
map/set |
双向迭代器 |
4. 迭代器的使用
遍历容器
vector v = {1, 2, 3};
// 使用迭代器遍历
for (auto it = v.begin(); it != v.end(); ++it) {
cout << *it << " ";
}
// 使用范围for循环（底层依赖迭代器）
for (int num : v) {
cout << num << " ";
} 修改元素
vector v = {1, 2, 3};
auto it = v.begin();
*it = 100; // 将第一个元素改为100 5. 迭代器失效问题
何时失效？
-
向容器中添加或删除元素可能导致迭代器失效（尤其是
vector和string）。 -
具体场景：
-
添加元素：
-
如果引发扩容（
push_back导致size > capacity），所有迭代器失效。
-
-
删除元素：
-
被删除元素之后的迭代器失效。
-
-
示例
vector v = {1, 2, 3};
auto it = v.begin();
v.push_back(4); // 可能导致扩容，it 失效！
cout << *it << endl; // 未定义行为！ 如何避免？
-
在修改容器后，重新获取迭代器。
-
使用返回值更新迭代器（例如
erase()返回删除后的下一个有效迭代器）。
vector v = {1, 2, 3, 4};
auto it = v.begin();
while (it != v.end()) {
if (*it % 2 == 0) {
it = v.erase(it); // erase 返回下一个有效迭代器
} else {
++it;
}
} 6. 特殊迭代器
1. const_iterator
-
用于只读访问容器元素，不能修改元素。
-
通过
cbegin()和cend()获取。
vector v = {1, 2, 3};
vector::const_iterator cit = v.cbegin();
// *cit = 10; // 错误：不能修改元素 2. 反向迭代器（reverse_iterator）
-
从后向前遍历容器，通过
rbegin()和rend()获取。 -
仅双向或随机访问迭代器支持。
vector v = {1, 2, 3};
for (auto rit = v.rbegin(); rit != v.rend(); ++rit) {
cout << *rit << " "; // 输出 3 2 1
} 3. 插入迭代器（insert_iterator）
-
用于向容器中插入元素（如
back_inserter、front_inserter）。 -
示例：
vector v = {1, 2, 3};
auto back_it = back_inserter(v); // 插入到尾部
*back_it = 4; // v变为 [1, 2, 3, 4] 7. 迭代器与算法
标准库算法（如 sort、find）通过迭代器操作容器：
vector v = {3, 1, 4, 2};
sort(v.begin(), v.end()); // 排序 [1, 2, 3, 4]
auto it = find(v.begin(), v.end(), 3); // 查找元素3的位置 8. 迭代器辅助函数
advance 和 distance
-
advance(it, n)：将迭代器移动n步。 -
distance(it1, it2)：计算两个迭代器之间的距离。 -
注意：
distance的时间复杂度取决于迭代器类型（随机访问迭代器为 O(1)，其他为 O(n)）。
vector v = {1, 2, 3, 4, 5};
auto it = v.begin();
advance(it, 3); // it 指向4
cout << *it << endl; // 输出4
cout << distance(v.begin(), it) << endl; // 输出3 9. 注意事项
-
不要解引用
end()迭代器：它指向尾后元素，不可解引用。 -
迭代器类型必须匹配：不同容器的迭代器类型不同，不能混用。
-
谨慎处理迭代器失效：修改容器后，迭代器可能失效。