浅谈C++|STL之vector篇

news2025/1/19 23:09:42

在这里插入图片描述

一.vector的基本概念

vector是C++标准库中的一种动态数组容器，提供了动态大小的数组功能，能够在运行时根据需要自动扩展和收缩。vector以连续的内存块存储元素，可以快速访问和修改任意位置的元素。

以下是vector的基本概念和特点：

  1. 动态大小：vector可以动态地调整其大小，可以在运行时根据需要添加或删除元素。与静态数组不同，vector不需要在定义时指定固定的元素个数。

  2. 连续存储：vector以连续的内存块存储元素。这样的存储方式使得访问元素变得高效，可以通过索引快速访问和修改任意位置的元素。

  3. 自动扩展和收缩：vector可以根据需要自动扩展以容纳更多的元素，并在需要时自动收缩以节省内存。这样，您无需手动管理内存，vector会自动处理。

  4. 插入和删除：vector提供了多种方法来插入和删除元素。可以在任意位置插入元素，也可以从任意位置删除元素，包括头部和尾部。

  5. 随机访问：vector支持快速的随机访问。可以使用索引来直接访问任意位置的元素，时间复杂度为O(1)。

  6. 迭代器支持：vector提供迭代器来遍历容器中的元素。迭代器可以用于读取和修改容器中的元素，支持正向和反向迭代。

vector是一个非常常用和灵活的容器，适用于需要动态调整大小的数组存储需求。它在许多应用中都很有用，例如数据的动态收集、动态分配的数组、实现栈和队列等。

功能：

vector教据结构和数组非常相似，也称为单端数组

vector与普通数组的区别

不同之处在于数组是静态空间，而vector可以动态扩展

动态扩展

并不是在原空间之后续接新空间，而是找更大的内存空间，然后将原数据拷贝新空间，释放原空间

二.vector赋值操作

vector提供了几种不同的函数和操作符用于赋值操作。以下是常用的vector赋值操作的函数原型：

  1. operator= 操作符：
vector& operator=(const vector& other);

该操作符用于将一个vector赋值给另一个vector，使它们包含相同的元素。该操作符返回一个引用，允许连续赋值。

  1. assign() 函数：
void assign(size_type count, const T& value);
template<typename InputIt>
void assign(InputIt first, InputIt last);
void assign(std::initializer_list<T> ilist);

assign() 函数用于将指定的值、范围或初始化列表中的元素赋值给vector。第一个版本接受指定数量的元素值；第二个版本接受范围指针，可以使用迭代器指定范围；第三个版本接受一个初始化列表。

  1. swap() 函数：
void swap(vector& other);

swap() 函数用于交换两个vector的内容，将当前vector与另一个vector的元素进行交换。

整理成表格，以方便查阅。

函数函数原型描述
operator=vector& operator=(const vector& other);将一个vector赋值给另一个vector，使它们包含相同的元素。
assign()void assign(size_type count, const T& value);将指定数量的元素值赋值给vector。
template<typename InputIt> void assign(InputIt first, InputIt last);将范围指针指定的元素赋值给vector。
void assign(std::initializer_list<T> ilist);将初始化列表中的元素赋值给vector。
swap()void swap(vector& other);交换两个vector的内容。

三.vextor的大小和容量

vector提供了一些函数用于获取容量和大小相关的信息。以下是vector的容量和大小函数的原型：

  1. size() 函数：
size_type size() const;

此函数返回vector当前包含的元素数量，也就是vector的大小。

  1. max_size() 函数：
size_type max_size() const;

该函数返回vector可以容纳的最大元素数量，考虑到系统限制和内存限制。

  1. resize() 函数：
void resize(size_type count);
void resize(size_type count, const T& value);

此函数用于调整vector的大小，可以增加或减少元素的数量。第一个版本将vector的大小调整为指定的 count，第二个版本还可以指定当扩展vector大小时，默认填充的元素值。

  1. capacity() 函数：
size_type capacity() const;

该函数返回当前vector的容量，即能够在重新分配内存之前持有的元素数量，以节省内存重新分配的开销。

  1. reserve() 函数：
void reserve(size_type new_cap);

此函数用于增加vector的容量，使其至少能够容纳指定数量的元素，但不为元素分配实际值。这可以提前分配所需的内存，以减少因调整大小而引起的内存重新分配的次数。

整理成表格：

函数函数原型描述
size()size_type size() const;返回vector当前包含的元素数量，即vector的大小。
max_size()size_type max_size() const;返回vector可以容纳的最大元素数量，受系统限制和内存限制约束。
empty()bool empty() const;判断vector是否为空，若为空则返回true，否则返回false。
resize()void resize(size_type count);
void resize(size_type count, const T& value);		调整vector的大小，增加或减少元素数量。
第一个版本将vector的大小调整为指定的count。
第二个版本在扩展vector大小时，指定默认的填充元素值。
capacity()size_type capacity() const;返回当前vector的容量，即为元素重新分配内存之前可以容纳的元素数量，以节省内存重新分配的开销。
reserve()void reserve(size_type new_cap);增加vector的容量，使其至少能够容纳指定数量的元素，但不为元素分配实际值。这样可以减少内存重新分配的次数。

四.vector插入和删除

整理成表格：

函数函数原型描述
insert()iterator insert(iterator pos, const T& value);
iterator insert(iterator pos, size_type count, const T& value);		在指定位置插入元素到vector中，并返回插入的位置迭代器。
第一个版本可以插入单个元素。
第二个版本可以插入指定数量的相同元素。
emplace()template <class... Args> iterator emplace(iterator pos, Args&&... args);在指定位置就地构造一个元素，并返回插入的位置迭代器。
erase()iterator erase(iterator pos);
iterator erase(iterator first, iterator last);		从vector中删除指定位置或范围的元素，并返回下一个元素的位置迭代器。
clear()void clear();从vector中移除所有的元素，使其变为空。
push_back()void push_back(const T& value);将元素添加到vector的末尾。
emplace_back()template <class... Args> reference emplace_back(Args&&... args);在vector的末尾就地构造一个元素。
pop_back()void pop_back();移除vector的最后一个元素。

请注意，表中的函数参数使用的是迭代器（iterator），而非常数迭代器（const_iterator）。这是因为插入和删除操作会改变容器的内容，所以需要可变的迭代器来指向和修改元素。

五.vector数据的存取

下面是vector的数据存取操作函数的函数原型整理成表格：

函数函数原型描述
at()reference at(size_type pos);
const_reference at(size_type pos) const;		返回指定位置的元素的引用。
若pos超出范围，会抛出out_of_range异常。
operator[]()reference operator[](size_type pos);
const_reference operator[](size_type pos) const;		返回指定位置的元素的引用。
不进行范围检查，使用时需确保索引有效。
front()reference front();
const_reference front() const;		返回vector中第一个元素的引用。
back()reference back();
const_reference back() const;		返回vector中最后一个元素的引用。
data()T* data();
const T* data() const;		返回指向vector中第一个元素的指针。
若vector为空，返回空指针。

以上是常用的vector数据存取操作的函数原型。您可以根据需要使用它们来访问和修改vector中的元素。

六.vector的容器交换

vector的容器互换操作可以使用swap()函数来实现。swap()函数可以交换两个容器的内容，具体的函数原型如下：

template <class T, class Alloc>
void swap(vector<T,Alloc>& x, vector<T,Alloc>& y) noexcept;

其中，x和y是要互换内容的两个 vector 容器。使用swap()函数可以快速高效地交换两个 vector 的内容，而不需要逐个元素进行复制或移动。

下面是一个简单的示例演示如何使用 swap() 函数交换两个 vector 的内容：

#include <iostream>
#include <vector>

int main() {
    std::vector<int> vec1 = {1, 2, 3, 4};
    std::vector<int> vec2 = {5, 6, 7, 8};

    // 输出交换前的内容
    std::cout << "vec1: ";
    for (const auto& num : vec1) {
        std::cout << num << " ";
    }
    std::cout << std::endl;

    std::cout << "vec2: ";
    for (const auto& num : vec2) {
        std::cout << num << " ";
    }
    std::cout << std::endl;

    // 交换容器内容
    std::swap(vec1, vec2);

    // 输出交换后的内容
    std::cout << "vec1: ";
    for (const auto& num : vec1) {
        std::cout << num << " ";
    }
    std::cout << std::endl;

    std::cout << "vec2: ";
    for (const auto& num : vec2) {
        std::cout << num << " ";
    }
    std::cout << std::endl;

    return 0;
}

运行以上代码，将会输出如下结果：

vec1: 1 2 3 4 
vec2: 5 6 7 8 
vec1: 5 6 7 8 
vec2: 1 2 3 4

通过 swap() 函数，vec1 和 vec2 的内容被互换了。这个操作非常高效，因为只涉及到指针的交换，而不需要逐个元素进行复制或移动。

巧用swap收缩内存空间

swap()函数还可以用于收缩vector内存空间，从而释放不需要的内存。通过将一个空的vector与目标vector进行交换，可以使目标vector的容量缩小到与其当前大小相匹配。

这是因为当swap()函数交换两个vector时，目标vector会获得另一个vector的内存空间，而那个被交换的vector则会获得一个空的内存空间。然后，由于交换后的vector大小与容量相匹配，多余的内存会被释放。

以下是一个示例代码，展示了如何通过swap()函数收缩vector的内存空间：

#include <iostream>
#include <vector>

int main() {
    std::vector<int> vec;

    // 向vector中添加大量数据
    for (int i = 0; i < 1000000; ++i) {
        vec.push_back(i);
    }

    std::cout << "Size before shrink: " << vec.size() << std::endl;
    std::cout << "Capacity before shrink: " << vec.capacity() << std::endl;

    // 收缩内存空间
    std::vector<int>(vec).swap(vec);

    std::cout << "Size after shrink: " << vec.size() << std::endl;
    std::cout << "Capacity after shrink: " << vec.capacity() << std::endl;

    return 0;
}

运行以上代码，将会输出如下结果：

Size before shrink: 1000000
Capacity before shrink: 1048576
Size after shrink: 1000000
Capacity after shrink: 1000000

通过使用swap()函数将一个空的vector和目标vector交换，我们成功缩小了vec的内存空间，使其容量与其大小相匹配。注意，swap()函数的参数是通过使用临时vector构造的，以避免影响到原始vec的值。

请注意，这种技巧并不适用于C++11标准之前的版本，因为在C++11之前，vector的移动语义不是必须的，而可能导致复制操作而不是交换操作。因此，在使用旧标准的编译器中，最好使用shrink_to_fit()函数来请求收缩内存，这是C++11引入的函数，并作为标准函数来直接缩小容器的内存空间。
七.函数接口总结

以下是一些对std::vector的扩展函数和成员类型：

函数或成员类型描述
std::vector::emplace_hint在指定位置的提示前插入元素
std::vector::insert_or_assign插入元素或修改现有元素的值
std::vector::erase移除指定位置或指定范围的元素
std::vector::erase_if根据给定的谓词函数删除元素
std::vector::remove移除指定值的所有元素
std::vector::remove_if根据给定的谓词函数删除元素
std::vector::swap交换两个向量的内容
std::vector::merge合并两个已排序的向量，并将结果存储在第一个向量中
std::vector::sort对向量的元素进行排序
std::vector::stable_sort对向量的元素进行稳定排序
std::vector::reverse反转向量中元素的顺序
std::vector::unique移除重复的元素，仅保留相邻的一个
std::vector::unique根据给定的谓词函数移除重复的元素
std::vector::binary_search使用二分查找在排序的向量中查找元素
std::vector::lower_bound返回一个迭代器，指向在已排序向量中首次出现不小于给定值的元素位置
std::vector::upper_bound返回一个迭代器，指向在已排序向量中首次出现大于给定值的元素位置
std::vector::equal_range返回一个pair，其中第一个迭代器是lower_bound返回值，第二个迭代器是upper_bound返回值
std::vector::rbegin返回指向最后一个元素的反向迭代器
std::vector::rend返回指向第一个元素之前位置的反向迭代器
std::vector::cbegin返回指向第一个元素的常量迭代器
std::vector::cend返回指向最后一个元素之后位置的常量迭代器
std::vector::crbegin返回指向最后一个元素的反向常量迭代器
std::vector::crend返回指向第一个元素之前位置的反向常量迭代器
std::vector::max_size返回向量能容纳的最大元素数量
std::vector::reserve提前预留指定的容量，以减少重新分配内存的次数
std::vector::emplace_hint在指定位置的提示前插入元素
std::vector::insert_or_assign插入元素或修改现有元素的值
std::vector::get_allocator返回与向量关联的内存分配器
std::vector::operator==判断两个向量是否相等
std::vector::operator!=判断两个向量是否不相等
std::vector::operator<比较两个向量的字典序
std::vector::operator<=判断一个向量是否小于等于另一个向量
std::vector::operator>判断一个向量是否大于另一个向量
std::vector::operator>=判断一个向量是否大于等于另一个向量
std::vector::emplace_hint在指定位置的提示前插入元素
std::vector::insert_or_assign插入元素或修改现有元素的值
std::vector::erase移除指定位置或指定范围的元素
std::vector::erase_if根据给定的谓词函数删除元素
std::vector::remove移除指定值的所有元素
std::vector::remove_if根据给定的谓词函数删除元素
std::vector::swap交换两个向量的内容
std::vector::merge合并两个已排序的向量，并将结果存储在第一个向量中
std::vector::sort对向量的元素进行排序
std::vector::stable_sort对向量的元素进行稳定排序
std::vector::reverse反转向量中元素的顺序
std::vector::unique移除重复的元素，仅保留相邻的一个
std::vector::unique根据给定的谓词函数移除重复的元素
std::vector::binary_search使用二分查找在排序的向量中查找元素
std::vector::lower_bound返回一个迭代器，指向在已排序向量中首次出现不小于给定值的元素位置
std::vector::upper_bound返回一个迭代器，指向在已排序向量中首次出现大于给定值的元素位置
std::vector::equal_range返回一个pair，其中第一个迭代器是lower_bound返回值，第二个迭代器是upper_bound返回值

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