C++ 入门14：STL 容器之向量（vector）

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C++ 入门14：STL 容器之向量（vector）

一、前言

在前面文章的学习中，我们学习了类和对象的基础知识、构造函数、拷贝构造函数、静态成员、常量成员、运算符重载、友元函数、友元类、继承和派生类、虚函数和多态、模板以及异常处理。今天，我们将学习 C++ 标准模板库（STL）中的一种重要容器——向量（vector）。向量是一种动态数组，可以方便地进行元素的添加和删除操作。这是STL里非常常用的一种，需要好好掌握。

二、STL 容器之向量（vector）

2.1、什么是向量？

向量（Vector）是C++标准模板库（Standard Template Library, STL）中一个非常核心且广泛使用的容器类。它提供了一种能够存储同一类型元素的动态数组的实现。

向量在底层通常是通过一个连续的内存块来存储元素，但与传统的静态数组不同，向量的大小（即它能存储的元素数量）是可以动态变化的。这意味着，随着程序运行的需要，向量可以自动地增加其容量以容纳更多的元素，或者减少其占用的内存空间（尽管减少容量通常不会自动发生，除非通过特定的成员函数如shrink_to_fit来请求）。

2.2、向量的主要特点

动态数组：向量提供了类似数组的顺序访问功能，但允许在运行时动态地改变其大小。这意味着你可以像使用数组一样通过索引来访问向量中的元素，但无需在编译时指定数组的大小。
自动内存管理：当你向向量中添加元素时，如果当前分配的存储空间不足以容纳新元素，向量会自动重新分配一块更大的内存区域，并将现有元素以及新元素复制到新的内存位置。同样，当元素被移除时，虽然向量的实际大小会减小，但底层内存不会自动减少，除非特别请求。
提供丰富的成员函数：向量提供了许多成员函数来支持各种操作，如push_back用于在向量末尾添加一个元素，pop_back用于移除向量末尾的元素，size返回当前向量的元素个数，capacity返回当前向量分配的存储空间大小等。
高效访问：由于向量在内存中连续存储元素，因此通过索引访问向量中的元素是非常高效的，时间复杂度为O(1)。
模板支持：向量是模板类，因此它可以存储任何类型的元素。你只需在声明向量时指定元素的类型即可。

2.3、向量的使用场景

1、当需要存储一个元素集合，并且这个集合的大小可能会在运行时改变时。

2、当需要频繁访问集合中的元素，且对访问速度有较高要求时（因为向量提供了高效的随机访问）。

3、当想要自动管理内存，避免手动处理动态数组时可能遇到的内存泄漏等问题。

2.4、向量的基本操作

（1）引入头文件

在使用向量之前，需要引入头文件 <vector>。

#include <vector>

（2）创建向量

我们可以使用不同的方式来创建向量。

#include <iostream>
#include <vector>
using namespace std;int main() {vector<int> vec1; // 创建一个空的向量vector<int> vec2(10); // 创建一个包含10个元素的向量，每个元素的值为0vector<int> vec3(10, 5); // 创建一个包含10个元素的向量，每个元素的值为5vector<int> vec4 = {1, 2, 3, 4, 5}; // 使用列表初始化向量return 0;
}

2.5、向量的常用成员函数

（1）添加元素

使用 push_back 函数在向量的末尾添加元素。

vector<int> vec;
vec.push_back(10);
vec.push_back(20);
vec.push_back(30);

（2）访问元素

使用 at 函数或下标运算符 [] 访问向量中的元素。

cout << "Element at index 0: " << vec.at(0) << endl;
cout << "Element at index 1: " << vec[1] << endl;

（3）修改元素

直接使用下标运算符 [] 修改向量中的元素。

vec[0] = 100;
cout << "Modified element at index 0: " << vec[0] << endl;

（4）删除元素

使用 pop_back 函数删除向量末尾的元素。

vec.pop_back();
cout << "After pop_back, size of vec: " << vec.size() << endl;

（5）获取向量的大小

使用 size 函数获取向量中的元素个数。

cout << "Size of vec: " << vec.size() << endl;

（6）检查向量是否为空

使用 empty 函数检查向量是否为空。

if (vec.empty()) {cout << "vec is empty" << endl;
} else {cout << "vec is not empty" << endl;
}

2.6、向量的迭代器

向量提供了一种灵活的方式来访问其元素——迭代器。迭代器是一种对象，它可以用来遍历容器中的元素。

（1）获取迭代器

使用 begin 函数获取指向向量第一个元素的迭代器，使用 end 函数获取指向向量最后一个元素的下一个位置的迭代器。

vector<int> vec = {10, 20, 30, 40, 50};// 使用迭代器遍历向量
for (vector<int>::iterator it = vec.begin(); it != vec.end(); ++it) {cout << "Element: " << *it << endl;
}

（2）使用范围循环

C++11 引入了范围循环，可以更简洁地遍历向量。

for (int val : vec) {cout << "Element: " << val << endl;
}

2.7、向量的高级操作

（1）插入元素

使用 insert 函数在向量的指定位置插入元素。

vector<int> vec = {10, 20, 30};
vec.insert(vec.begin() + 1, 15); // 在第二个位置插入15
for (int val : vec) {cout << "Element: " << val << endl;
}

（2）清空向量

使用 clear 函数清空向量中的所有元素。

vector<int> vec = {10, 20, 30, 40, 50};
vec.clear(); // 清空向量
cout << "After clear, size of vec: " << vec.size() << endl;

2.8、向量与动态数组的区别

向量和动态数组（如 new[] 分配的数组）有一些相似之处，但也有重要的区别：

自动管理内存：	向量会自动管理内存，当向量大小增加时，会自动分配更多的内存。而动态数组需要手动管理内存。
方便的操作：	向量提供了丰富的成员函数，如 `push_back`、`insert`、`erase` 等，而动态数组需要手动实现这些操作。
安全性：	向量提供边界检查，如 `at` 函数可以抛出异常，而动态数组没有边界检查，可能导致未定义行为。