【爱上C++】vector用法详解

Hello~同学们好，本文将深入探讨 C++ 中的 vector 容器，作为标准模板库（STL）中最常用的动态数组之一，vector 提供了灵活的元素存储和高效的访问方法。我们将从基础知识入手，逐步学习其创建、初始化、遍历、空间管理以及增删查改等操作。通过详细的示例和解析，希望能够帮助读者全面理解和掌握 vector 的使用技巧和注意事项。

一:vector简介

vector文档

1. vector是表示可变大小数组的序列容器。
2. 就像数组一样，vector也采用的连续存储空间来存储元素。也就是意味着可以采用下标对vector的元素进行访问，和数组一样高效。但是又不像数组，它的大小是可以动态改变的，而且它的大小会被容器自动处理。
3. 本质讲，vector使用动态分配数组来存储它的元素。当新元素插入时候，这个数组需要被重新分配大小为了增加存储空间。其做法是，分配一个新的数组，然后将全部元素移到这个数组。就时间而言，这是一个相对代价高的任务，因为每当一个新的元素加入到容器的时候，vector并不会每次都重新分配大小。
4. vector分配空间策略：vector会分配一些额外的空间以适应可能的增长，因为存储空间比实际需要的存储空间更大。不同的库采用不同的策略权衡空间的使用和重新分配。但是无论如何，重新分配都应该是对数增长的间隔大小，以至于在末尾插入一个元素的时候是在常数时间的复杂度完成的。
5. 因此，vector占用了更多的存储空间，为了获得管理存储空间的能力，并且以一种有效的方式动态增长。
6. 与其它动态序列容器相比（deque, list and forward_list）， vector在访问元素的时候更加高效，在末尾添加和删除元素相对高效。对于其它不在末尾的删除和插入操作，效率更低。比起list和forward_list统一的迭代器和引用更好。

使用STL的三个境界：能用，明理，能扩展 ，那么下面学习vector，我们也是按照这个方法去学习

二:vector的创建和初始化

要包头文件#include<vector>

    // 默认构造函数，创建一个空的 vector
    vector<int> v1; 
    
    // 创建一个包含 4 个默认初始化元素（值为 0）的 vector
    vector<int> v2(4); 
    
    // 创建一个包含 4 个元素，每个元素初始化为 10 的 vector
    vector<int> v3(4, 10); 
    
    // 使用迭代器范围（v3 的起始和结束迭代器）初始化 vector，v4 将包含 v3 的所有元素
    vector<int> v4(v3.begin(), v3.end());
    
    // 拷贝构造函数，创建一个 v2 的副本
    vector<int> v5(v2); 
    
    // 使用初始化列表创建 vector，v6 将包含 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7 这些元素
    vector<int> v6 = {1, 2, 3, 4, 5, 6, 7}; 

    // 使用 std::string 初始化
    string s1("12345"); // 创建一个包含 "12345" 的字符串 s1
    // 使用 std::string 的迭代器初始化 std::vector<int>
    // 这里每个 char 会隐式转换为其对应的 int（ASCII 值）
    vector<int> v3(s1.begin(), s1.end()); // 使用字符串的迭代器初始化 vector<int>
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vector和string的区别：

std::vector：

• 不自动添加 \0:
  • std::vector 只是一个通用的动态数组容器，它不会在末尾自动添加 \0。你需要手动管理字符串的结束标志。
  • 当你需要将 std::vector 转换为 C 风格字符串时，你必须手动添加一个 \0。

std::string：

• 自动添加 \0:
  • std::string 在内部管理一个以 \0 结尾的字符数组。这个空字符保证了字符串可以直接使用 C 风格字符串的函数。
  • 当你创建或操作 std::string 对象时，\0 是自动添加和管理的，因此不需要手动处理。

三:vector的遍历

1.[]+下标

void test_vector1()
{
	vector<int> v;
	v.push_back(1);
	v.push_back(2);
	v.push_back(3);
	v.push_back(4);
	for (size_t i = 0; i < v.size(); i++)
	{
		cout << v[i] << " ";
	}
	cout << endl;
}

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看一下结果(push_back后面会将，顾名思义也就是尾插）

调试一下看看

2.at()

at() 函数用于访问vector 中的元素，并进行边界检查。与 operator[] 不同，at() 会在访问越界时抛出 std::out_of_range 异常，因此它比 operator[] 更安全，但稍微有点性能开销。

#include <iostream>  // 引入输入输出流头文件
#include <vector>    // 引入 vector 容器头文件
#include <stdexcept> // 引入标准异常头文件
using namespace std; // 使用标准命名空间
int main() {
	vector<int> vec = { 10, 20, 30, 40, 50 }; // 初始化一个包含五个整数的 vector

	// 正常访问 vector 的元素
	try {
		for (size_t i = 0; i < vec.size(); ++i) {
			cout << "Element at index " << i << " is " << vec.at(i) << endl; // 使用 at() 函数访问元素
		}
	}
	catch (const out_of_range& e) {
		cerr << "Out of range error: " << e.what() << endl; // 捕捉并处理越界访问异常
	}
	// 尝试访问越界元素
	try {
		cout << "Element at index 10 is " << vec.at(10) << endl; // 访问索引为 10 的元素，这将抛出异常
	}
	catch (const out_of_range& e) {
		cerr << "Out of range error————" << e.what() << endl; // 捕捉并处理越界访问异常
	}

	return 0; // 返回 0 表示程序正常结束
}

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3.迭代器遍历

迭代器访问+修改

    vector<int> v1;        // 定义一个空的 vector 容器
    v1.push_back(1);       // 向容器中添加元素 1
    v1.push_back(2);       // 向容器中添加元素 2
    v1.push_back(3);       // 向容器中添加元素 3
    v1.push_back(4);       // 向容器中添加元素 4
    
    vector<int>::iterator it = v1.begin(); // 初始化迭代器，指向 vector 的起始位置
    
    // 使用 while 循环遍历 vector 的元素
    while (it != v1.end()) {                // 当迭代器未到达 vector 的末尾时继续循环
        *it -= 10;                          // 将迭代器指向的元素值减去 10
        cout << *it << " ";                 // 打印当前元素值
        it++;                               // 迭代器指向下一个元素
    }
    cout << endl;                           // 输出换行符
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为什么 while (it != v1.end())不能用 it<v1.end()?
因为在 C++ 中，标准库容器（如 std::vector）的迭代器支持比较操作，但通常是使用 != 而不是 < 来判断迭代器是否已经到达容器的末尾。!= 比较更加直观和符合语义。
使用 < 进行比较可能在某些情况下无效，因为并不是所有迭代器都支持 < 运算符。特别是，对于双向迭代器或更复杂的迭代器（如关联容器中的迭代器），它们不支持这种操作。

注意：vector<int>::iterator it = v1.begin();要用vector::指明是什么类型的迭代器。

4.范围for

void vector_Traversal_test() {
	vector<int> v;
	v.push_back(1);
	v.push_back(2);
	v.push_back(3);
	v.push_back(4);
 
	// 范围for
	for (auto e : v) {
		cout << e << " ";
	}
	cout << endl;
 
	for (auto& e : v) {
		e += 10;
		cout << e << " ";
	}
	cout << endl;

//范围for实际上是使用迭代器来遍历容器的
//把上面两个展开其实是下面两个。
    for (auto it = v.begin(); it != v.end(); ++it)
    {
    auto e = *it;  // 通过迭代器获取当前元素
    cout << e << " ";
    }
    cout << endl;

    for (auto it = v.begin(); it != v.end(); ++it) 
    {
    auto& e = *it;  // 通过迭代器获取当前元素的引用
    e += 10;        // 修改元素的值
    cout << e << " ";
    }
    cout << endl;
}
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四:vector的空间

1.size

size() 函数返回当前 vector 中的元素个数。

2.max_size

max_size() 函数返回 vector 可以容纳的最大元素数量，这个数量通常是一个非常大的值，取决于系统限制和内存可用性。

3.capacity

capacity() 函数返回当前 vector 内部存储空间的容量，即在重新分配之前可以存储的元素数量。

4.reserve

reserve(n) 函数用于请求 vector 预留足够的存储空间，以容纳至少 n 个元素。这样做可以减少因为容器扩展而导致的重新分配操作，提高插入元素的效率。
如果已经确定vector中要存储元素大概个数，可以提前将空间设置足够,就可以避免边插入边扩容导致效率低下的问题了

void TestVectorExpandOP()
{
	vector<int> v;
	size_t sz = v.capacity();
	v.reserve(100); // 提前将容量设置好，可以避免一遍插入一遍扩容
	cout << "making bar grow:\n";
	for (int i = 0; i < 100; ++i)
	{
		v.push_back(i);
		if (sz != v.capacity())
		{
			sz = v.capacity();
			cout << "capacity changed: " << sz << '\n';
		}
	}
}
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5.resize

resize() 函数用于改变 vector 的大小，即容器中元素的数量。它可以根据传入的参数 n，进行不同的操作：

1. 当 n < size 时：
   • 容器尾部多余的元素会被销毁。
   • capacity 不会改变。
2. 当 size <= n <= capacity 时：
   • 容器尾部新增加的元素被初始化为默认值（对于 int 类型，默认值是 0）。
   • capacity 不会改变。
3. 当 n > capacity 时：
   • 容器尾部新增加的元素被初始化为默认值。
   • size 和 capacity 都会变为 n，并且需要重新分配内存来扩展容器的存储空间。

6.empty

empty() 函数检查 vector 是否为空，如果 vector 中没有元素，则返回 true，否则返回 false。

五:vector的增删查改

1.push_back

	vector<int> v;
	v.push_back(1);
	v.push_back(2);
	v.push_back(3);
	for (auto e : v)
	{
		cout << e << " ";
	}
	cout << endl;
	
	vector<string> v1;
	v1.push_back(" we");
	v1.push_back(" all");
	v1.push_back(" love");
	v1.push_back(" C++");

	for (auto e : v1)
	{
		cout <<e;
	}
	cout << endl;
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2.pop_back

void test_vector5() {
	vector<int> v;
	v.push_back(1);
	v.push_back(2);
	v.push_back(3);
	for (auto e : v) cout << e << " "; cout << endl;
 
	v.pop_back();   // 尾删：3
	for (auto e : v) cout << e << " "; cout << endl;
	
	v.pop_back();   // 尾删：2
	for (auto e : v) cout << e << " "; cout << endl;
}
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3.find

思考:为什么string、map、set、都有自己的find而vector和list没有？

为什么 string、map、set 提供 find 操作？

• std::string：
  • std::string 是一个字符序列，提供 find 操作用于子串查找，这是字符串操作中非常常见的需求。
  • 例如，查找某个子串在字符串中的位置。
• std::map 和 std::set：
  • std::map 和 std::set 是关联容器，基于平衡二叉树（如红黑树）实现。
  • find 操作在这些容器中是核心功能，因为它们的主要用途就是快速查找键。
  • std::map 提供键值对的查找，而 std::set 提供唯一键的查找。
  • 这些容器的查找操作效率是 O(log n)。
    
    为什么 vector 和 list 不提供 find 操作？
• std::vector：
  • std::vector 是一个动态数组，主要用于顺序存储和访问。
  • 查找操作的效率是 O(n)，因为需要线性扫描整个数组。
  • 提供 find 操作在效率上不占优势，因此没有直接提供。
• std::list：
  • std::list 是一个双向链表，适用于频繁插入和删除操作。
  • 查找操作的效率同样是 O(n)，因为需要线性扫描链表。
  • 和 vector 类似，提供 find 操作在效率上不占优势，因此没有直接提供。

#include <algorithm>
void test_vector9()
{
	vector<int> v;
	v.push_back(9);
	v.push_back(9);
	v.push_back(6);
	
	vector<int>::iterator it = find(v.begin(), v.end(),6);
	if (it != v.end())
	{
		cout << "找到啦" << endl;
		cout << *it << endl;
	}
}
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4.insert

void test_vector9()
{
	vector<int> v;
	v.push_back(1);
	v.push_back(2);
	v.push_back(3);
	v.push_back(4);
	v.push_back(5);
	v.push_back(6);
	auto it1 = v.begin() + 2;//在第三个位置插入
	v.insert(it1, 100);
	for (auto e : v)
	{
		cout << e << " ";
	}//1 2 100 3 4 5 6
	cout << endl;

	auto it2 = v.begin() + 4;
	v.insert(it2, 3, 90);//在第五个位置插入3个90
	for (auto e : v)
	{
		cout << e << " ";
	}//1 2 100 3 90 90 90 4 5 6
	cout << endl;


	vector<int> vec1 = { 1, 2, 6 };
	vector<int> vec2 = { 3, 4, 5 };
	auto it3 = vec1.begin() + 2; // 在第三个位置插入元素
	vec1.insert(it3, vec2.begin(), vec2.end()); // 在位置 it 处插入 vec2 的所有元素
	// 现在 vec1 = {1, 2, 3, 4, 5, 6}
}
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注意：pos的类型都是iterator;

5.erase

    vector<int> v {1, 2, 3, 4, 5};

    // 删除第三个元素
    auto it = v.erase(v.begin() + 2);
    // v = {1, 2, 4, 5}
    for (auto elem : v) {
        cout << elem << " ";
    }
    cout << endl;

    // 删除第二个到第四个元素
    auto first = v.begin() + 1;
    auto last = v.begin() + 4;
    v.erase(first, last);
    // v = {1, 5}
    for (auto elem : v) {
        cout << elem << " ";
    }
    cout << endl;
//注意：[first,last) 是左闭右开的区间所以last可以取v.begin() + 4
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• 在调用 erase 后，被移除的元素会被析构，相关的内存也会被释放。
• 对于 erase(iterator first, iterator last)，注意 first 和 last 的有效性和顺序，确保不会越界访问或者非法操作。
• 删除元素后，后续的元素会向前移动填补空缺，保持 vector 的连续性。
• erase 操作可能会导致迭代器失效，因此在使用返回的迭代器之前，要确保其仍然有效。

迭代器失效问题我会放在vector模拟实现(下一篇文章)详细讲解。

6.swap

std::vector 提供了一个成员函数 swap，用于交换两个 vector 对象的内容。这个操作可以快速地交换两个容器的元素，而不需要复制它们的内容。

    vector<int> v1 {1, 2, 3};
    vector<int> v2 {4, 5, 6};
    // 使用 swap 交换两个 vector 的内容
    v1.swap(v2);

    cout << "After swapping:\n";
    cout << "v1: ";
    for (auto elem : v1) {
        cout << elem << " ";  //4 5 6
    }
    cout << "\nv2: ";
    for (auto elem : v2) {
        cout << elem << " ";  //1 2 3
    }
    cout << endl;

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效果和注意事项

1. 内容交换：swap 函数会交换两个 vector 对象的所有元素，包括它们的大小（size）和容量（capacity）。
2. 高效性：swap 操作非常高效，因为它只涉及指针的交换，不需要复制元素。这对于大型的 vector 特别有用，可以在不重新分配内存的情况下快速交换数据。
3. 迭代器和引用的影响：swap 操作不会使现有的迭代器、引用和指针失效，因此可以安全地在 swap 后继续使用交换后的 vector 对象。
4. 使用场景：swap 可以用于重新排序或重新组织数据，也可以用于优化内存使用，比如在算法中交换两个 vector 来实现更高效的数据处理流程。
5. 示例： 上面的示例展示了如何使用 swap 将两个 vector 对象的内容进行交换，从而在输出中显示了交换后的结果。

总之，std::vector 的 swap 函数是一个非常有用的工具，能够快速、高效地交换两个 vector 对象的内容，适合在需要优化内存使用或者重新组织数据时使用。

7.assign

void demonstrate_assign() {
    // 创建一个空的 vector<int>
    vector<int> v;

    // 使用 assign(n, value) 方法赋值
    v.assign(5, 10); // 用5个10替换当前内容
    cout << "After v.assign(5, 10): ";
    for (int i : v) {
        cout << i << " "; // 输出: 10 10 10 10 10
    }
    cout << endl;

    // 使用 assign(first, last) 方法赋值
    int arr[] = {1, 2, 3, 4, 5};
    v.assign(arr, arr + 3); // 用数组的前3个元素替换当前内容
    cout << "After v.assign(arr, arr + 3): ";
    for (int i : v) {
        cout << i << " "; // 输出: 1 2 3
    }
    cout << endl;

    // 使用 vector 的迭代器范围赋值
    vector<int> v2 = {7, 8, 9};
    v.assign(v2.begin(), v2.end()); // 用v2的所有元素替换当前内容
    cout << "After v.assign(v2.begin(), v2.end()): ";
    for (int i : v) {
        cout << i << " "; // 输出: 7 8 9
    }
    cout << endl;
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