C++ STL 中的 vector 总结

1. 什么是 std::vector

std::vector 是 C++ STL 提供的动态数组容器,可以动态调整大小并存储任意类型的元素。
与普通数组相比,std::vector 更加灵活,提供了丰富的操作接口。


2. 基本特性

  • 动态大小:支持在运行时动态增加或减少大小,自动管理内存。
  • 连续存储:元素在内存中是连续存储的,支持随机访问。
  • 时间复杂度
    • 随机访问:( O(1) )。
    • 插入/删除
      • 尾部操作:( O(1) )。
      • 中间或前部操作:( O(n) )(需要移动元素)。
  • 自动内存管理:动态分配和释放内存,不需要手动操作。
  • 迭代器支持:支持 STL 风格的迭代器,方便遍历和操作。

3. 常用函数

3.1 元素访问

函数功能说明
at(index)返回指定索引的元素,带边界检查。
operator[index]返回指定索引的元素,不进行边界检查。
front()返回第一个元素。
back()返回最后一个元素。
data()返回指向底层数组的指针。

3.2 容量操作

函数功能说明
size()返回当前元素数量。
capacity()返回当前分配的存储容量。
empty()判断是否为空。
resize(n, val)调整大小为 n,多余部分用 val 填充,默认值为 0
reserve(n)增加存储容量至至少 n(不会改变元素数量)。
shrink_to_fit()释放未使用的内存,调整容量以适应当前大小。

3.3 修改操作

函数功能说明
push_back(val)在尾部添加一个元素。
pop_back()移除尾部元素。
insert(pos, val)在迭代器 pos 指定位置插入元素 val
erase(pos)删除迭代器 pos 指向的元素。
clear()清空所有元素。
assign(n, val)将容器填充为 nval
emplace_back(args)在尾部直接构造元素(避免拷贝,提高性能)。

4. 示例代码

4.1 基本使用

#include <vector>
#include <iostream>
using namespace std;int main() {vector<int> nums;// 添加元素nums.push_back(10);nums.push_back(20);nums.push_back(30);// 遍历元素for (int i = 0; i < nums.size(); i++) {cout << nums[i] << " ";}cout << endl;// 删除尾部元素nums.pop_back();// 使用迭代器遍历for (auto it = nums.begin(); it != nums.end(); ++it) {cout << *it << " ";}cout << endl;return 0;
}

输出:

10 20 30
10 20

4.2 动态调整大小

#include <vector>
#include <iostream>
using namespace std;int main() {vector<int> nums(5, 1);  // 初始化大小为 5,每个元素值为 1cout << "Initial size: " << nums.size() << endl;nums.resize(8, 2);  // 调整大小为 8,新增元素值为 2for (auto num : nums) {cout << num << " ";}cout << endl;nums.shrink_to_fit();  // 调整容量以匹配大小cout << "Size after shrinking: " << nums.size() << endl;return 0;
}

输出:

Initial size: 5
1 1 1 1 1 2 2 2
Size after shrinking: 8

4.3 插入和删除元素

#include <vector>
#include <iostream>
using namespace std;int main() {vector<int> nums = {10, 20, 30, 40};// 插入元素nums.insert(nums.begin() + 2, 25);  // 在第三个位置插入 25// 删除元素nums.erase(nums.begin());  // 删除第一个元素for (auto num : nums) {cout << num << " ";}return 0;
}

输出:

20 25 30 40

5. 注意事项

  1. 随机访问性能优越:由于 std::vector 的底层是动态数组,支持通过索引直接访问元素,性能为 ( O(1) )。
  2. 插入和删除:在尾部操作效率高,复杂度为 ( O(1) );在中间或前部操作可能需要移动大量元素,复杂度为 ( O(n) )。
  3. 容量管理
    • 容量 capacity 通常大于或等于当前大小 size
    • 使用 reserve() 可以预先分配内存,减少动态扩展的次数。
  4. 迭代器失效
    • 动态扩展或删除元素时,可能会导致迭代器失效。
  5. 内存使用shrink_to_fit() 可释放未使用的内存。

6. 应用场景

6.1 动态数组

当数组大小在运行时需要动态变化时,使用 std::vector 更加合适。

#include <vector>
#include <iostream>
using namespace std;int main() {int n;cin >> n;vector<int> nums;for (int i = 0; i < n; i++) {nums.push_back(i);}for (auto num : nums) {cout << num << " ";}return 0;
}

6.2 多维数组

通过嵌套 std::vector 创建动态二维数组。

#include <vector>
#include <iostream>
using namespace std;int main() {int rows = 3, cols = 4;vector<vector<int>> matrix(rows, vector<int>(cols, 0));// 修改元素matrix[1][2] = 5;// 输出矩阵for (auto& row : matrix) {for (auto& elem : row) {cout << elem << " ";}cout << endl;}return 0;
}

输出:

0 0 0 0 
0 0 5 0 
0 0 0 0

7. 总结表

特性说明
动态大小支持动态增删元素,内存由容器管理。
连续存储元素在内存中是连续存储,适合随机访问。
操作效率随机访问为 ( O(1) ),尾部插入/删除为 ( O(1) )。
插入/删除限制中间或前部插入/删除效率低,可能导致大量元素移动。
多维支持可以嵌套 std::vector,实现动态二维/三维数组。
迭代器支持支持 STL 风格迭代器,方便遍历和操作。

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