C++ 第四阶段 STL 容器 - 第一讲：详解 std::vector
目录
📌 一、std::vector 核心特性
📌 二、常用函数详解（附代码示例）
1. 构造函数
2. 元素访问
3. 容量操作
4. 修改操作
📌 三、性能分析与优化建议
1. 动态扩容机制
2. 随机访问 vs. 插入/删除性能
3. 迭代器失效问题
📌 四、常见陷阱与解决方案
1. 未初始化元素访问
2. 不必要的拷贝
📌 五、典型应用场景
1. 动态数组
2. 算法实现
3. 二维数组模拟
🧠 总结
C++从入门到入土学习导航_c++学习进程-CSDN博客
📌 一、std::vector 核心特性
std::vector 是 C++ STL 中最常用的 序列式容器，其底层基于 动态数组 实现，具有以下核心特性：
| 特性 | 说明 |
|---|---|
| 动态扩容 | 内存自动增长（默认翻倍策略），无需手动管理内存。 |
| 连续存储 | 元素存储在连续内存块中，支持指针偏移和随机访问。 |
| 随机访问 | 时间复杂度为 O(1)，可通过下标或 at() 访问任意元素。 |
| 尾部操作高效 | push_back()/pop_back() 时间复杂度为 O(1)（扩容时为 O(n)）。 |
| 迭代器支持 | 提供随机访问迭代器，兼容 STL 算法（如 sort、find）。 |
📌 二、常用函数详解（附代码示例）
1. 构造函数
#include <vector>
#include <iostream>int main() {// 1. 默认构造空 vectorstd::vector<int> v1;// 2. 构造指定大小和初始值std::vector<int> v2(5, 100); // 5 个 100// 3. 迭代器构造std::vector<int> v3(v2.begin(), v2.end()); // 复制 v2 的内容// 4. 初始化列表（C++11）std::vector<int> v4 = {1, 2, 3, 4, 5};// 打印所有 vector 内容for (int i : v4) {std::cout << i << " ";}return 0;
}2. 元素访问
std::vector<int> v = {10, 20, 30, 40, 50};// 1. 下标访问（不检查越界）
std::cout << "v[2] = " << v[2] << "\n"; // 输出 30// 2. at()（带边界检查）
std::cout << "v.at(3) = " << v.at(3) << "\n"; // 输出 40// 3. front() / back()
std::cout << "front: " << v.front() << "\n"; // 输出 10
std::cout << "back: " << v.back() << "\n"; // 输出 50// 4. data()（C++11，返回指针）
int* ptr = v.data();
std::cout << "*ptr = " << *ptr << "\n"; // 输出 103. 容量操作
std::vector<int> v = {1, 2, 3};// 1. size() / capacity()
std::cout << "size: " << v.size() << ", capacity: " << v.capacity() << "\n";// 2. reserve() 预分配内存
v.reserve(10); // 扩容到至少 10 个元素的空间
std::cout << "capacity after reserve: " << v.capacity() << "\n";// 3. resize() 调整元素个数
v.resize(5, 0); // 调整为 5 个元素，不足用 0 填充
for (int i : v) {std::cout << i << " "; // 输出 1 2 3 0 0
}
std::cout << "\n";// 4. shrink_to_fit()（C++11）减少多余容量
v.shrink_to_fit();
std::cout << "capacity after shrink_to_fit: " << v.capacity() << "\n";4. 修改操作
std::vector<int> v = {1, 2, 3, 4, 5};// 1. 尾部插入/删除
v.push_back(6); // 插入到末尾
v.pop_back(); // 删除末尾元素// 2. emplace_back()（C++11，原地构造对象）
v.emplace_back(7); // 更高效的插入（避免临时对象）// 3. 插入/删除任意位置
auto it = v.insert(v.begin() + 2, 99); // 在第 3 个位置插入 99
std::cout << "Inserted value: " << *it << "\n"; // 输出 99v.erase(v.begin() + 1); // 删除第 2 个元素// 4. 清空
v.clear();
std::cout << "size after clear: " << v.size() << "\n"; // 输出 0📌 三、性能分析与优化建议
1. 动态扩容机制
- 默认策略：扩容时分配 2 倍当前容量 的新内存，拷贝旧数据，释放旧内存。
- 性能影响：频繁扩容会导致：
- 内存碎片：频繁分配/释放内存。
- 拷贝开销：大对象拷贝成本高。
- 优化方案：
- 预分配内存：使用
reserve()避免多次扩容。 - 批量插入：优先使用
emplace_back()而非push_back()。
- 预分配内存：使用
// 示例：预分配内存减少扩容次数
std::vector<int> v;
v.reserve(1000); // 一次性分配 1000 个元素的空间
for (int i = 0; i < 1000; ++i) {v.push_back(i); // 无需扩容
}2. 随机访问 vs. 插入/删除性能
| 操作类型 | 时间复杂度 | 说明 |
|---|---|---|
| 随机访问 | O(1) | 利用指针偏移直接访问元素。 |
| 尾部插入/删除 | O(1)（平均） | 默认扩容时为 O(n)。 |
| 中间插入/删除 | O(n) | 需移动元素，性能较差。 |
| 查找（find） | O(n) | 无序数据需遍历；有序数据可用二分法。 |
// 示例：查找特定值
int target = 3;
auto it = std::find(v.begin(), v.end(), target);
if (it != v.end()) {std::cout << "Found at index: " << it - v.begin() << "\n";
} else {std::cout << "Not found\n";
}3. 迭代器失效问题
- 扩容导致迭代器失效：
push_back()触发扩容后，所有迭代器失效。 - 插入/删除导致迭代器失效：
insert()/erase()后，迭代器需重新获取。
// 错误示例：扩容后迭代器失效
std::vector<int> v = {1, 2, 3};
auto it = v.begin();
v.push_back(4); // 可能触发扩容，it 失效
std::cout << *it << "\n"; // 未定义行为！// 正确做法：重新获取迭代器
it = v.begin();
std::cout << *it << "\n"; // 安全📌 四、常见陷阱与解决方案
1. 未初始化元素访问
- 错误示例：
reserve()不初始化元素，直接访问会导致未定义行为。 - 正确做法：使用
resize()初始化元素。
std::vector<int> v;
v.reserve(10); // 仅分配内存，未初始化元素
std::cout << v[5]; // 未定义行为！v.resize(10); // 初始化 10 个元素为 0
std::cout << v[5]; // 合法，输出 02. 不必要的拷贝
- 推荐使用
emplace_back()：直接构造对象，避免临时对象拷贝。
struct MyStruct {MyStruct(int a, int b) : x(a), y(b) {}int x, y;
};std::vector<MyStruct> v;// push_back 会创建临时对象再拷贝
v.push_back(MyStruct(1, 2)); // 两次构造（一次临时，一次拷贝）// emplace_back 原地构造，避免拷贝
v.emplace_back(1, 2); // 一次构造📌 五、典型应用场景
1. 动态数组
- 替代静态数组，支持运行时调整大小。
- 适用于数据量不确定的场景（如读取用户输入、动态数据收集）。
std::vector<int> nums;
int n;
while (std::cin >> n) {nums.push_back(n); // 动态添加元素
}2. 算法实现
- 与 STL 算法无缝兼容（如
sort、find、transform）。
#include <algorithm>std::vector<int> v = {5, 2, 4, 1, 3};
std::sort(v.begin(), v.end()); // 排序
std::reverse(v.begin(), v.end()); // 反转3. 二维数组模拟
- 用于动态二维数组（如杨辉三角）。
std::vector<std::vector<int>> pascal(5);
for (int i = 0; i < 5; ++i) {pascal[i].resize(i + 1, 1);for (int j = 1; j < i; ++j) {pascal[i][j] = pascal[i-1][j] + pascal[i-1][j-1];}
}🧠 总结
| 特性 | 适用场景 | 优势 | 注意事项 |
|---|---|---|---|
| 动态扩容 | 数据量不确定 | 自动管理内存 | 频繁扩容影响性能 |
| 连续存储 | 需要随机访问 | 缓存命中率高 | 中间插入/删除慢 |
| 尾部操作高效 | 栈/队列模拟 | 插入/删除 O(1) | 扩容时迭代器失效 |
| 迭代器支持 | STL 算法兼容 | 与 sort、find 等无缝对接 | 插入/删除后需更新迭代器 |