C++----STL（vector）

news2025/2/24 11:07:45

vector的介绍

vector的文档介绍：cplusplus.com/reference/vector/vector/

1.基本概念

  • 简单来说，vector是表示可以改变大小的数组的顺序容器。
  • 使用连续的存储位置来存储元素，因此可以通过常规指针的偏移量来高效访问。

2.内部机制

  • vector内部使用动态分配的数组来存储元素。
  • 插入新元素时，数组可能需要重新分配以增大尺寸，这是一项相对昂贵的任务。为避免频繁重新分配，vector可能会分配一些额外的存储空间以适应可能的增长。
  • vector的实际容量可能大于存储元素所需的空间（即大小）。

3.内存管理

  • 库采用不同的增长策略来平衡内存使用和重新分配。
  • 重新分配通常只在大小以对数增长间隔发生时进行，以提供摊还常数时间复杂度的插入操作（如push_back）。
  • 与数组相比，向量消耗更多内存，但具备管理和动态增长存储的能力。

4.vector的原型

vector的使用

vector 学习时一定要学会查看文档 ， vector 在实际中非常的重要，在实际中我们熟悉常见的接口就可以，下面列出了哪些接口是要重点掌握的。（vector与string都基于顺序表实现，因此接口相似。如果已经掌握string用法的，理解vector会更容易。后续讲解将简要提及相似之处，重点介绍vector的特有特性和用法。）

迭代器

begin()

  • 功能说明：返回一个指向vector第一个元素的迭代器。
  • 注意：有可读可写和只读两种迭代器。

rbegin()

  • 功能说明：返回一个指向vector最后一个元素的迭代器。
  • 同样有可读可写和只读两种。（下面讲解的迭代器都如此）

end()

  • 功能说明：返回一个指向vector最后一个元素之后位置的迭代器。

rend()

  • 功能说明：返回一个指向vector第一个元素之前位置的反向迭代器。

构造函数

1.使用填充构造

//原型：explicit vector (size_type n, const value_type& val = value_type(),const allocator_type& alloc = allocator_type());
vector<int> v1(10, 1);//创建一个包含10个整数的vector，每个整数初始化为1
vector<string> v2(10, "***");//创建一个包含10个字符串的vector，每个字符串初始化为"***"

2.使用迭代器范围构造

//原型：template <class InputIterator> vector (InputIterator first, InputIterator last，const allocator_type& alloc = allocator_type());
vector<int> v3(v1.begin(), v1.end());//使用v1的迭代器范围构造v3

string str("hello world");
vector<char> v4(str.begin(), str.end());//使用字符串string的迭代器范围构造字符vector v4

int a[] = {16, 2, 77, 29};
vector<int> v5(a, a + 4); // 使用数组a的迭代器范围构造v5

补充：配合sort函数的使用进行升序和降序排序

sort(v5.begin(), v5.end()); // 使用默认比较器（less<int>）对v5进行升序排序
sort(v5.begin(), v5.end(), greater<int>()); // 使用greater<int>比较器对v5进行降序排序
sort(v5.rbegin(),v5.rend()); // 使用反向迭代器对v5进行降序排序
sort(str.begin(), str.end()); // 对字符串str进行字典序排序
sort(a, a + 4); // 对数组a进行排序

容量相关的操作

size()

  • 功能说明：返回vector中当前元素的个数。

max_size()

  • 功能说明：返回vector中能容纳的最大元素个数。

capacity()

  • 功能说明：返回vector在当前情况下能容纳的元素个数。

reserve()

  • 功能说明：扩容。
  • 注意：reserve不改变vector的大小（即size()的值），也不初始化新分配的内存。
  • 易错展示： 
    vector<int> v1;
v1.reserve(10);
for (size_t i = 0; i < 10; i++) {
    v1[i] = i; // 错误：v1.size()仍为0，访问v1[i]是未定义行为。
}
  •  正确做法： 
    vector<int> v1;
v1.reserve(10);
for (size_t i = 0; i < 10; i++) {
    v1.push_back(i); // 正确：使用push_back添加元素并初始化。
}

resize()

  • 功能说明：扩容+初始化 
    vector<int> v1;
v1.resize(10); // 改变大小为10，新元素初始化为0（对于int类型）。
for (size_t i = 0; i < 10; i++) {
    v1[i] = i; // 正确：v1的大小已经是10。
}

empty()

  • 功能：检查vector是否为空。如果vector的大小为0，则返回true；否则返回false

shrink_to_fit()

  • 功能：请求移除vector中多余的容量。调用后，vector的容量将被调整为当前大小（即size()的值），前提是这不会增加内存分配的总大小。

元素访问

operator[]

  • 功能：通过索引访问vector中的元素。
  • 注意：不进行边界检查，如果索引超出范围，则行为未定义，可能导致程序崩溃或数据损坏）
    vector<int> v = {1, 2, 3};
    int first = v[0]; // 访问第一个元素，值为1。

at()

  • 功能：通过索引访问vector中的元素。
  • 与operator[]不同，at会进行边界检查。如果索引超出范围，则抛出std::out_of_range异常。
    vector<int> v = {1, 2, 3};
    int second = v.at(1); // 访问第二个元素，值为2。

data()

  • 功能说明：返回指向vector中第一个元素的指针（类型为T*，其中T是vector存储的元素类型）。如果vector为空，则返回空指针。
  • 类似于string中的c_str()方法，但data返回的是可修改的指针。
    vector<int> v = {1, 2, 3};
    int* ptr = v.data();
    cout << ptr[0] << " " << ptr[1] << " " << ptr[2] << endl; // 输出：1 2 3

修改操作

push_back()

  • 功能：在vector末尾添加一个元素。

pop_back()

  • 功能：移除vector末尾的元素.

insert()

  • 功能：在指定位置插入一个或多个元素。
    int a[] = { 16,2,77,29,3,33,43,3,2,3,3,2 };
	vector<int> v1(a, a + sizeof(a)/sizeof(int));

	// 头插 
	v1.insert(v1.begin(), 100);

erase()

  • 功能：移除指定位置的元素或一段元素。
    int a[] = { 16,2,77,29,3,33,43,3,2,3,3,2 };
	vector<int> v1(a, a + sizeof(a)/sizeof(int));
	
	// 头删
	v1.erase(v1.begin());

	// 删除第3个数据
	v1.erase(v1.begin() + 2);

注意：std::vector中使用erase和insert后迭代器失效的情况

在C++的STL（标准模板库）中，vector是一个动态数组，其内存可以重新分配和移动。因此，当你对vector进行erase或insert，可能会导致指向vector元素的迭代器失效。失效的迭代器不能再被用来访问vector中的元素，因为这样做会导致未定义行为。

下面的代码例子，展示了在std::vector中使用erase后迭代器失效的情况：

#include <iostream>
#include <vector>
using namespace std;

int main() {
    vector<int> vec = { 1, 2, 3, 4, 5 };

    // 创建一个指向vector中第三个元素的迭代器
    auto it = vec.begin() + 2; // 指向3

    // 输出迭代器指向的值
    cout << "Before erase: " << *it << endl; // 输出: 3

    // 删除迭代器指向的元素
    vec.erase(it);// 此时it已经失效

    for (auto e : vec) {
        cout << e << " ";
    }
    cout << endl;

    // 下面的代码是未定义行为，因为it已经失效
    // cout << "After erase (undefined behavior): " << *it << endl; // 不要这样做

    return 0;
}

正确做法：

#define _CRT_SECURE_NO_EARNINGS 1
#include <iostream>
#include <vector>
using namespace std;

int main() {
    vector<int> vec = { 1, 2, 3, 4, 5 };

    // 创建一个指向vector中第三个元素的迭代器
    auto it = vec.begin() + 2; // 指向3

    // 输出迭代器指向的值
    cout << "Before erase: " << *it << endl; // 输出: 3

    // 删除迭代器指向的元素
    it = vec.erase(it);// 我们可以获取删除元素后的下一个元素

    for (auto e : vec) {
        cout << e << " ";
    }
    cout << endl;

    cout << "After erase (undefined behavior): " << *it << endl; // 此时的it指向被删除的位置的下一个元素4

    return 0;
}

下面的代码例子，展示了在std::vector中使用insert后迭代器失效的情况：

#define _CRT_SECURE_NO_EARNINGS 1
#include <iostream>
#include <vector>
using namespace std;

int main() {
    vector<int> vec = { 1, 2, 3, 4, 5 };

    vector<int>::iterator it = vec.begin() + 2;
    cout << "it: " << *it << endl;

    // 插入新元素
    vec.insert(vec.begin(), 10); // 在开头插入10

    for (auto e : vec) {
        cout << e << " ";
    }
    cout << endl;

    // 所有指向vec元素的迭代器（包括end()之前的迭代器）都可能失效
    // 下面的代码同样是未定义行为，因为之前的迭代器（即使它们没有直接指向被插入的位置）也可能不再有效
    // cout << "After insert (undefined behavior): " << *it << endl; // 这是错误的

    return 0;
}

正确做法：

#define _CRT_SECURE_NO_EARNINGS 1
#include <iostream>
#include <vector>
using namespace std;

int main() {
    vector<int> vec = { 1, 2, 3, 4, 5 };

    vector<int>::iterator it = vec.begin() + 2;
    cout << "it: " << *it << endl;

    // 插入新元素
    vec.insert(vec.begin(), 10); // 在开头插入10

    for (auto e : vec) {
        cout << e << " ";
    }
    cout << endl;

    // 正确的做法是重新获取迭代器
    it = vec.begin() + 2;
    cout << "After insert (undefined behavior): " << *it << endl; 

    return 0;
}

swap()

  • 功能：交换两个vector的内容。

clear()

  • 功能：移除vector中的所有元素，使其变为空容量。

assign()

  • 功能：清楚vector中的值，并用新值重新赋值。
    v1.assign(10, 1); // 将v1重新赋值为10个1

补充：find在 vector 中的应用

vector中的find：vector不像string在成员函数中直接提供了find(),而是通过<algorithm>头文件中的find函数，用于查找元素的位置。

#include<iostream>
#include<algorithm>
using namespace std;

int main()
{
    int a[] = { 16,2,77,29,3,33,43,3 };
	vector<int> v1(a, a + sizeof(a)/sizeof(int));
    auto pos = find(v1.begin(), v1.end(), 3); // 在v1中查找元素3

    // 删除第3个数据
	v1.erase(v1.begin()+2);

    return 0;
}

迭代器失效问题：

#include<iostream>
#include<algorithm>
using namespace std;

int main()
{
    int a[] = { 16,2,77,29,3,33,43,3 };
	vector<int> v1(a, a + sizeof(a)/sizeof(int));
    auto pos = find(v1.begin(), v1.end(), 3); // 在v1中查找元素3

    // 删除所有的3 -- 涉及迭代器失效！后面解决
	while(pos != v1.end()){
      v1.erase(pos);
      pos = find(v1.begin(), v1.end(), 3); // 可能导致无限循环，因为pos可能已失效
    }

    return 0;
}

原因：vector在insert或erase操作后，可能会重新分配内存（尤其是当容量不足时），导致所有指向该vector的迭代器失效。

解决：

    while((pos = find(v1.begin(), v1.end(), 3)) != v1.end())
    {
        v1.erase(pos);
    }

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