【C++】std::vector 全面指南

引言：为什么选择vector？

std::vector是C++标准模板库(STL)中最常用的动态数组容器，相比原始数组和链表具有显著优势：

特性	std::vector	原始数组	链表
动态大小	✅ 自动扩容	❌ 固定大小	✅ 动态增长
内存局部性	✅ 连续存储	✅ 连续存储	❌ 非连续
随机访问	✅ O(1)	✅ O(1)	❌ O(n)
插入/删除效率	尾部O(1)，中部O(n)	❌ 不支持	✅ O(1)

典型应用场景：

• 需要频繁随机访问元素

• 不确定元素数量的情况

• 作为函数返回值或参数传递

• 替代原始数组的现代C++做法

基本概念与定义

头文件与模板声明

#include   // 必须包含的头文件

// 基本声明方式
std::vector vec1;          // 空vector
std::vector vec2;  // 字符串vector

核心特性

• 连续内存：所有元素存储在连续内存块中

• 自动扩容：当容量不足时自动重新分配内存（通常2倍增长）

• 类型安全：编译时类型检查

初始化与构造

常用初始化方式

// 默认构造
std::vector v1;  

// 指定初始大小和值
std::vector v2(10);        // 10个0
std::vector v3(10, 42);    // 10个42

// 列表初始化(C++11)
std::vector v4 {1, 2, 3};  

// 从数组构造
int arr[] = {4, 5, 6};
std::vector v5(arr, arr + 3);

// 拷贝构造
std::vector v6(v5);

元素访问

安全与不安全访问

std::vector v = {10, 20, 30};

// 不安全但快速的访问
int a = v[1];     // 20，不检查边界

// 安全的访问（越界抛出异常）
int b = v.at(2);  // 30

// 首尾元素
int first = v.front();  // 10
int last = v.back();    // 30

// 数据指针（兼容C API）
int* p = v.data();

迭代器使用

// 常规迭代
for(auto it = v.begin(); it != v.end(); ++it) {
    std::cout << *it << " ";
}

// 现代C++范围for
for(const auto& val : v) {
    std::cout << val << " ";
}

// 反向迭代
for(auto rit = v.rbegin(); rit != v.rend(); ++rit) {
    std::cout << *rit << " ";
}

元素操作

插入与删除

std::vector v = {1, 2, 3};

// 尾部添加（高效）
v.push_back(4);      // 1,2,3,4
v.emplace_back(5);   // 直接构造，避免拷贝（C++11）

// 中间插入（低效）
v.insert(v.begin() + 1, 9);  // 1,9,2,3,4,5

// 删除元素
v.erase(v.begin());    // 9,2,3,4,5
v.pop_back();          // 9,2,3,4

// 清空vector
v.clear();

高效插入技巧

// 批量插入
std::vector source = {7, 8, 9};
v.insert(v.end(), source.begin(), source.end());

// 移动语义避免拷贝（C++11）
std::string s = "example";
v.emplace_back(std::move(s));  // s现在为空

容量管理

大小与容量

std::vector v;

// 元素数量
size_t count = v.size();  

// 实际分配的内存容量
size_t cap = v.capacity();  

// 预分配内存（避免多次扩容）
v.reserve(100);  

// 调整大小（新增元素用0填充）
v.resize(50);  

// 释放多余内存
v.shrink_to_fit();  // 容量可能减少到等于size

扩容策略

vector的扩容通常遵循2倍增长策略，但标准未严格规定：

std::vector v;
for(int i=0; i<1000; ++i) {
    v.push_back(i);
    if(v.size() == v.capacity()) {
        std::cout << "Capacity changed to: " << v.capacity() << std::endl;
    }
}

性能优化技巧

1. 预分配内存：已知大小时先用reserve()

   std::vector v;
   v.reserve(1000);  // 避免多次重新分配

2. 使用emplace_back：避免临时对象构造

   v.emplace_back(10, "text");  // 直接构造元素

3. 移动而非拷贝：对大对象使用std::move

   std::vector words;
   std::string largeStr = getLargeString();
   words.push_back(std::move(largeStr));  // 转移所有权

4. 交换技巧清空vector：

   std::vector().swap(v);  // 快速清空并释放内存

 总结

std::vector是C++中最重要且高效的动态数组容器，它将原始数组的连续存储优势与现代C++的自动内存管理完美结合。作为标准库中使用最频繁的容器，vector支持快速随机访问（O(1)时间复杂度），提供自动扩容机制，并通过模板化实现支持任意数据类型。其核心优势包括：内存局部性带来的缓存友好性、丰富的成员函数（push_back/emplace_back等）、与STL算法的无缝集成，以及通过reserve()实现的性能优化。无论是作为函数参数传递、存储动态数据集，还是替代传统数组，vector都是现代C++开发中的首选容器。掌握其容量管理、迭代器使用和高效插入技巧，将显著提升代码质量和运行效率。