vector的基本概念

vector是C++標(biāo)準(zhǔn)模板庫(STL)中最重要且最常用的容器之一，它本質(zhì)上是一個(gè)封裝了動(dòng)態(tài)數(shù)組的類模板，提供了一系列便捷的方法來操作和管理數(shù)組數(shù)據(jù)。作為序列式容器的一種，vector支持在尾部高效地添加或刪除元素，同時(shí)保持元素的線性存儲順序。

vector的實(shí)現(xiàn)原理是基于動(dòng)態(tài)數(shù)組，它在內(nèi)部使用連續(xù)的內(nèi)存空間來存儲元素。當(dāng)現(xiàn)有容量不足時(shí)，vector會(huì)自動(dòng)重新分配更大的內(nèi)存空間（通常是當(dāng)前容量的2倍），并將原有元素復(fù)制到新的內(nèi)存區(qū)域。這個(gè)特性使得vector具有以下特點(diǎn)：

1. 隨機(jī)訪問效率高：通過下標(biāo)運(yùn)算符[]或at()方法可以在O(1)時(shí)間內(nèi)訪問任意元素
2. 尾部操作高效：push_back()和pop_back()操作的時(shí)間復(fù)雜度為O(1)
3. 插入刪除效率低：在中間位置插入或刪除元素需要移動(dòng)后續(xù)元素，時(shí)間復(fù)雜度為O(n)

vector的典型使用場景包括：

• 需要頻繁隨機(jī)訪問元素的場合
• 數(shù)據(jù)量變化不大或主要在尾部增刪的場合
• 需要兼容C風(fēng)格數(shù)組的場合

基本操作示例：

#include <vector>
using namespace std;

vector<int> v;  // 創(chuàng)建空vector
v.push_back(10); // 尾部添加元素
v.insert(v.begin(), 5); // 在頭部插入元素
int val = v[0];  // 隨機(jī)訪問
v.pop_back();    // 刪除尾部元素

vector還提供了許多有用的成員函數(shù)，如size()獲取元素?cái)?shù)量，capacity()獲取當(dāng)前容量，reserve()預(yù)分配內(nèi)存等，這些函數(shù)使得vector比原始數(shù)組更安全、更易于使用。

與傳統(tǒng)靜態(tài)數(shù)組的比較

與傳統(tǒng)的靜態(tài)數(shù)組相比，vector具有以下顯著優(yōu)勢：

1. 動(dòng)態(tài)擴(kuò)容能力：

   • 當(dāng)元素?cái)?shù)量超過當(dāng)前容量時(shí)，vector會(huì)自動(dòng)分配更大的內(nèi)存空間(通常是當(dāng)前容量的1.5-2倍)并將原有元素拷貝到新空間
   • 擴(kuò)容策略可以通過reserve()方法預(yù)先指定，減少頻繁擴(kuò)容帶來的性能開銷
   • 示例：vector<int> v; v.reserve(100);預(yù)先分配100個(gè)元素的空間

2. 自動(dòng)內(nèi)存管理：

   • 用戶無需手動(dòng)分配和釋放內(nèi)存，vector會(huì)在析構(gòu)時(shí)自動(dòng)釋放所有內(nèi)存
   • 遵循RAII(資源獲取即初始化)原則，避免內(nèi)存泄漏
   • 示例：{ vector<int> temp; /*...*/ } 作用域結(jié)束時(shí)自動(dòng)釋放內(nèi)存

3. 豐富的成員函數(shù)：

   • 提供了push_back()、pop_back()、insert()、erase()等方法來方便地增刪元素
   • 支持size()、capacity()、empty()等狀態(tài)查詢方法
   • 提供front()、back()快速訪問首尾元素的方法

4. 隨機(jī)訪問支持：

   • 通過[]運(yùn)算符或at()方法可以像普通數(shù)組一樣快速訪問任意位置的元素
   • 時(shí)間復(fù)雜度為O(1)，與靜態(tài)數(shù)組相同
   • 示例：v[10] = 42; 或 int x = v.at(5);

常用操作示例

#include <vector>
#include <iostream>

int main() {
    // 創(chuàng)建vector
    std::vector<int> numbers;
    
    // 尾部添加元素
    numbers.push_back(10);
    numbers.push_back(20);
    numbers.push_back(30);
    
    // 訪問元素
    std::cout << "第一個(gè)元素: " << numbers[0] << std::endl;
    
    // 遍歷元素
    for(int num : numbers) {
        std::cout << num << " ";
    }
    
    // 刪除尾部元素
    numbers.pop_back();
    
    return 0;
}

實(shí)際應(yīng)用場景

在實(shí)際應(yīng)用中，vector常用于以下場景：

1. 需要頻繁在尾部添加/刪除元素的場合：

   • 日志記錄系統(tǒng)
   • 數(shù)據(jù)采集緩沖
   • 動(dòng)態(tài)生成的結(jié)果集存儲

2. 需要隨機(jī)訪問元素的場合：

   • 圖像像素處理
   • 數(shù)學(xué)向量/矩陣運(yùn)算
   • 游戲?qū)ο蠊芾?/li>

3. 無法預(yù)先確定元素?cái)?shù)量的情況：

   • 讀取未知長度的用戶輸入
   • 解析動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)文件
   • 數(shù)據(jù)庫查詢結(jié)果存儲

4. 需要將數(shù)據(jù)作為參數(shù)傳遞給函數(shù)時(shí)：

   • 避免數(shù)組退化為指針
   • 保持完整的容器信息(size/capacity等)
   • 示例：void process(const std::vector<int>& data);

例如：

#include <vector>
#include <iostream>

int main() {
    std::vector<int> nums;  // 創(chuàng)建一個(gè)空的int型vector
    
    // 添加元素
    nums.push_back(10);
    nums.push_back(20);
    nums.push_back(30);
    
    // 訪問元素
    std::cout << "第一個(gè)元素：" << nums[0] << std::endl;
    std::cout << "當(dāng)前容量：" << nums.capacity() << std::endl;
    
    // 遍歷元素
    for(auto num : nums) {
        std::cout << num << " ";
    }
    
    return 0;
}

需要注意的是，雖然vector提供了諸多便利，但在中間位置插入/刪除元素時(shí)效率較低(O(n)復(fù)雜度)，這種情況下可以考慮使用list等其他容器。此外，頻繁的擴(kuò)容操作也可能帶來性能開銷，可以通過reserve()方法預(yù)先分配足夠空間來優(yōu)化。

基本特性

動(dòng)態(tài)擴(kuò)容機(jī)制

當(dāng)vector的size達(dá)到capacity時(shí)，會(huì)自動(dòng)進(jìn)行擴(kuò)容：

• 擴(kuò)容策略：大多數(shù)實(shí)現(xiàn)采用1.5倍或2倍擴(kuò)容策略（如VS通常1.5倍，g++通常2倍）
• 擴(kuò)容過程：分配新內(nèi)存→拷貝元素→釋放舊內(nèi)存
• 時(shí)間復(fù)雜度：均攤O(1)，但單次擴(kuò)容可能達(dá)到O(n)

vector<int> v;
for(int i=0; i<100; i++){
    v.push_back(i); // 自動(dòng)擴(kuò)容約7-8次(取決于實(shí)現(xiàn))
}

內(nèi)存布局

• 連續(xù)存儲：所有元素在內(nèi)存中連續(xù)排列，與普通數(shù)組一致
• 隨機(jī)訪問：支持通過下標(biāo)直接訪問，效率與數(shù)組相同
• 迭代器：提供隨機(jī)訪問迭代器，支持各種STL算法

類型安全

通過模板實(shí)現(xiàn)，可存儲任意類型：

vector<string> names;
vector<pair<int,double>> measurements;
vector<vector<int>> matrix; // 二維數(shù)組

常用操作詳解

初始化方式

// 1. 默認(rèn)構(gòu)造
vector<int> v1; 

// 2. 指定大小和初始值
vector<int> v2(10, 0); // 10個(gè)0

// 3. 通過迭代器范圍初始化
int arr[] = {1,2,3};
vector<int> v3(arr, arr+3);

// 4. 列表初始化(C++11)
vector<int> v4 = {1,2,3};

// 5. 拷貝構(gòu)造
vector<int> v5(v4);

元素添加

vector<int> v;

// 尾部添加
v.push_back(10);  
v.push_back(20);

// 高效構(gòu)造(C++11)
v.emplace_back(30); // 直接在容器內(nèi)構(gòu)造，避免拷貝

// 任意位置插入
v.insert(v.begin(), 5); // 頭部插入
v.insert(v.begin()+1, 2, 8); // 插入2個(gè)8

元素訪問

// 下標(biāo)訪問(不檢查邊界)
int a = v[0];  

// 安全訪問(檢查邊界)
try {
    int b = v.at(100); // 拋出out_of_range異常
} catch(out_of_range& e) {
    cerr << e.what() << endl;
}

// 迭代器訪問
for(auto it = v.begin(); it != v.end(); ++it) {
    cout << *it << " ";
}

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

// C++11范圍for
for(int num : v) {
    cout << num << " ";
}

元素刪除

// 刪除末尾元素
v.pop_back();  

// 刪除指定位置
v.erase(v.begin()); 

// 刪除范圍
v.erase(v.begin(), v.begin()+2); 

// 條件刪除(C++11)
v.erase(remove_if(v.begin(), v.end(), 
    [](int x){return x%2==0;}), v.end());

// 清空容器
v.clear();  

容量管理

// 當(dāng)前元素?cái)?shù)量
size_t count = v.size();     

// 當(dāng)前容量
size_t cap = v.capacity(); 

// 是否為空
if(v.empty()) {
    cout << "Vector is empty" << endl;
}

// 預(yù)分配空間(避免多次擴(kuò)容)
v.reserve(100); 

// 釋放多余空間
v.shrink_to_fit(); 

// 調(diào)整大小
v.resize(50); // 不足補(bǔ)0，多余刪除
v.resize(100, -1); // 不足補(bǔ)-1

性能優(yōu)化建議

1. 預(yù)分配空間：已知元素?cái)?shù)量時(shí)先reserve，避免多次擴(kuò)容

   vector<int> v;
   v.reserve(1000); // 預(yù)先分配
   for(int i=0; i<1000; i++) {
       v.push_back(i); // 不會(huì)觸發(fā)擴(kuò)容
   }
   

2. 選擇合適的添加方法：

   • 優(yōu)先使用emplace_back而非push_back（避免臨時(shí)對象）
   • 批量插入時(shí)使用insert范圍版本

3. 避免不必要的拷貝：

   // 返回vector的函數(shù)
   vector<int> getData() {
       vector<int> data;
       // ...填充data
       return data; // 移動(dòng)語義優(yōu)化，無拷貝
   }
   

4. 元素類型選擇：

   • 存儲大型對象時(shí)考慮存儲指針
   • 頻繁插入刪除時(shí)考慮list或deque

典型應(yīng)用場景

1. 動(dòng)態(tài)數(shù)組需求

   // 讀取未知數(shù)量的輸入
   vector<int> inputs;
   int num;
   while(cin >> num) {
       inputs.push_back(num);
   }
   

2. 實(shí)現(xiàn)棧結(jié)構(gòu)

   vector<int> stack;
   stack.push_back(1); // push
   int top = stack.back(); // top
   stack.pop_back(); // pop
   

3. 矩陣運(yùn)算

   vector<vector<double>> matrix(m, vector<double>(n));
   // 矩陣操作...
   

4. 算法容器

   vector<int> data = {5,3,8,1,9};
   sort(data.begin(), data.end());
   auto it = find(data.begin(), data.end(), 8);
   

5. 緩存數(shù)據(jù)

   vector<CacheEntry> cache;
   cache.reserve(MAX_CACHE_SIZE);
   

與其他容器對比

vector是C++標(biāo)準(zhǔn)模板庫(STSL)中最基礎(chǔ)也是最重要的序列容器，它通過類模板的方式實(shí)現(xiàn)了一個(gè)動(dòng)態(tài)數(shù)組。與普通數(shù)組相比，vector具有自動(dòng)內(nèi)存管理的特性，能夠根據(jù)元素?cái)?shù)量的變化動(dòng)態(tài)調(diào)整存儲空間。

內(nèi)存管理機(jī)制：

1. 初始分配：vector在構(gòu)造時(shí)通常會(huì)分配一個(gè)初始容量（具體實(shí)現(xiàn)可能不同，常見為0或一個(gè)小值）
2. 擴(kuò)容策略：當(dāng)元素?cái)?shù)量超過當(dāng)前容量時(shí)，vector會(huì)進(jìn)行擴(kuò)容。標(biāo)準(zhǔn)沒有規(guī)定具體擴(kuò)容倍數(shù)，但主流實(shí)現(xiàn)（如GCC、MSVC）通常采用2倍擴(kuò)容策略
3. 內(nèi)存釋放：除非調(diào)用shrink_to_fit()，否則vector通常不會(huì)自動(dòng)縮小容量

內(nèi)存管理示例：

std::vector<int> v;  // 初始容量可能是0
v.reserve(100);      // 預(yù)分配100個(gè)元素空間
for(int i=0; i<200; ++i) {
    v.push_back(i);  // 當(dāng)超過100時(shí)自動(dòng)擴(kuò)容
}

性能特點(diǎn)與優(yōu)化

時(shí)間復(fù)雜度分析：

• 隨機(jī)訪問：O(1) - 通過下標(biāo)直接訪問
• 尾部操作：
  • push_back/pop_back：平均O(1)
  • emplace_back：平均O(1)
• 中間操作：
  • insert/erase：O(n)，因?yàn)樾枰苿?dòng)后續(xù)元素
  • 查找：O(n)（無序情況下）

性能優(yōu)化技巧：

1. 預(yù)分配空間：使用reserve()可避免多次擴(kuò)容

std::vector<Item> items;
items.reserve(1000);  // 預(yù)分配空間避免多次擴(kuò)容

1. 使用emplace_back代替push_back：

items.emplace_back(arg1, arg2);  // 直接在容器中構(gòu)造對象

1. 避免不必要的拷貝：

std::vector<std::string> getData() {
    std::vector<std::string> result;
    // ...填充數(shù)據(jù)
    return result;  // 利用返回值優(yōu)化(RVO)或移動(dòng)語義
}

典型應(yīng)用場景

1. 數(shù)據(jù)緩存：需要快速隨機(jī)訪問的臨時(shí)數(shù)據(jù)存儲
2. 矩陣運(yùn)算：多維數(shù)組的實(shí)現(xiàn)基礎(chǔ)
3. 圖形處理：像素緩沖區(qū)、頂點(diǎn)數(shù)據(jù)存儲
4. 網(wǎng)絡(luò)通信：數(shù)據(jù)包緩沖區(qū)的實(shí)現(xiàn)
5. 替代原始數(shù)組：更安全、更易用的動(dòng)態(tài)數(shù)組替代方案

與其他容器的對比

到此這篇關(guān)于C++動(dòng)態(tài)數(shù)組vector的使用小結(jié)的文章就介紹到這了,更多相關(guān)C++動(dòng)態(tài)數(shù)組vector內(nèi)容請搜索腳本之家以前的文章或繼續(xù)瀏覽下面的相關(guān)文章希望大家以后多多支持腳本之家！