C++：STL（四）之vector的基本介绍与使用方式|容器接口

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一、C/C++中的字符串

1.1. C语言中的数组

在C语言中，数组是一组相同类型元素的有序集合。与字符串类型，它的大小在编译时就已经确定无法更改了。

// 大小为5的整形数组int arr1[5] = { 1,2,3,4,5 };// 大小为5的浮点型数组double arr2[5] = { 3.14 };

1.2. C++中的数组

与string类似，C++为了更加方便就引入了一个支持可动态数组大小数组的序列容器vector。vector的特点如下：

基本特性 vector是可变大小的序列容器，像数组一样使用连续存储空间存储元素，能通过下标高效访问元素。与数组的区别在于vector的大小可动态改变，并且这种大小的改变由容器自动处理。 存储机制 本质上，vector使用动态分配数组存储元素。当插入新元素时，可能需要重新分配数组大小，这一过程代价相对较高，但vector不会每次插入都重新分配。 空间分配策略 vector会分配额外空间以应对可能的增长，不同库在空间使用和重新分配上有不同策略。重新分配的间隔大小应是对数增长，使得在末尾插入元素的操作能在常数时间复杂度内完成。为了获得管理存储空间和有效动态增长的能力，vector会占用更多存储空间。 与其他容器比较 相较于deque、list和forward_list等动态序列容器，vector访问元素更高效。在末尾添加和删除元素相对高效。对于不在末尾的删除和插入操作，vector的效率更低。vector具有比list和forward_list更好的统一迭代器和引用。 还要注意： 每次使用vector都需要包含头文件<vector>。vector是一个模板类，所以在使用时需要显示实例化。

//整型数组vector<int> v1;//浮点型数组vector<double> v2;

二、vector的接口

vector的接口和string的接口很相似。

2.1 vector类对象的默认成员函数

构造函数声明	接口说明
vector()	构造函数
vector(size_type n,const value_type& val = value_type())	构造并初始化n个val
vector(Inputlterator first, Inputilerator last)	使用迭代器进行初始化构造
vector(const vector& x)	拷贝构造
vector& operator=(const vector& x)	赋值重载

2.1.1 构造函数

explicit vector(const allocator_type& alloc = allocator_type());explicit vector(size_type n, const value_type& val = value_type(),                const allocator_type& alloc = allocator_type());template <class InputIterator>         vector(InputIterator first, InputIterator last,                const allocator_type& alloc = allocator_type());vector(const vector& x);// 其中的 allocator 是空间配置器，只是用于分配空间，目的为增加申请释放空间的效率// 对于vector来说是一个模板类，所以我们在实例化时要声明其内置类型。

无参构造函数 示例代码：

// 构造函数创建一个空的vector，初始大小为0vector<int> v1;// 无参（没有传入任何的参数）

这种构造函数创建一个空的vector，其初始化大小为0。 指定个数和初始值构造函数 示例代码：

vector<int> v2(3, 2);for (int i = 0; i < v2.size(); i++){    cout << v2[i] << " ";}// 2 2 2 

这里构造了一个包含3个元素每个元素初始值为2的vector。

使用迭代器区间构造函数

示例代码

string s("abcd");vector<int> v3(s.begin(), s.end());

这里使用迭代器区间来构造vector。需要注意的是，如果vector的内置类型与迭代器所指向的元素类型不匹配（如上述代码中v3为vector<int>，而s是string类型，会发生隐式类型转换，将字符的 ASCII 值存储到vector中）。如果要正确存储字符，应声明为vector<char>。此外，还可以利用指针（其底层基于迭代器思维）来初始化vector，例如：

// 利用天然的迭代器 —— 指针进行初始化int a[] = {1, 2, 3, 4};vector<int> v2(a, a + 4);

vector是模板类，在实例化时需要声明其内置类型，如template <class T, class Alloc = allocator<T>> class vector;。

2.1.2 拷贝构造函数

示例代码：

vector<int> v1(3, 2);vector<int> v2(v1);// 拷贝构造// 2  2  2 

拷贝构造函数用于创建一个与已有vector完全相同的新vector。

2.1.3 赋值重载

示例代码：

vector<int> v1(3, 2);// 创建3个2vector<int> v2;v2 = v1;// 赋值重载//v3 = v1;//error：要求是同一类型的vector类// 2 2 2

赋值重载操作将一个vector的值复制到另一个已存在的vector中。（值之间的拷贝）要求两个vector的类型相同，不同类型的vector之间无法进行赋值操作。

2.2 vector类对象的访问及遍历操作

2.2.1 opeartor[] 和 at()

operator[] 示例代码

#include <vector>#include <iostream>int main(){std::vector<int> v({ 1,2,3,4,5 });for (size_t i = 0; i < v.size(); i++){std::cout << v[i] << " ";}std::cout << std::endl;return 0;}// 1 2 3 4 5

operator[]是一种常见的访问vector元素的方式，通过下标来获取元素。下标越界会导致断言错误。 at() 示例代码

#include <vector>#include <iostream>int main(){std::vector<int> v{ 1,2,3,4,5 };for (size_t i = 0; i < v.size(); i++){std::cout << v.at(i) << " ";}std::cout << std::endl;return 0;}

at()函数也用于访问元素，与operator[下标]不同的是，如果下标越界，at(下标)会抛出异常。

2.2.2 迭代器

begin() 和 end()（正向迭代器） 示例代码

#include <vector>#include <iostream>int main(){std::vector<int> v{ 1,2,3,4,5 };std::vector<int>::iterator it = v.begin();while (it != v.end()){std::cout << *it << " "; it++;}std::cout << std::endl;return 0;}// 1 2 3 4 5

begin()返回指向vector第一个元素的迭代器，end()返回指向vector最后一个元素位置之后的迭代器。通过迭代器遍历vector中的元素。 rbegin() 和 rend()（反向迭代器） 示例代码

#include <vector>#include <iostream>int main(){std::vector<int> v{ 1,2,3,4,5 };std::vector<int>::reverse_iterator rit = v.rbegin();while (rit != v.rend()){std::cout << *rit << " ";rit++;}std::cout << std::endl;return 0;}// 5 4 3 2 1

rbegin()返回指向vector最后一个元素的反向迭代器，rend()返回指向vector第一个元素之前的反向迭代器，用于反向遍历vector。

2.2.3 范围for

- 示例代码

#include <vector>#include <iostream>int main(){std::vector<int> v{ 1,2,3,4,5 };for (auto e : v){std::cout << e << " ";}std::cout << std::endl;return 0;}// 1  2  3  4  5

范围for是一种简洁的遍历vector元素的方式吗，基于迭代器实现。

2.2.4 sort

vector<int> v({1,2,3,4,5});sort(v.begin(), v.end());for(auto e : v){    cout<< e << " ";}cout << endl;

迭代器与sort概述

迭代器与algorithm 头文件中的sort函数 在涉及迭代器时，algorithm头文件中的sort函数是一个重要的库函数。它有两个重载形式。 sort函数的第一个重载形式：升序排列。

// 传入的仿函数对象为less<int>()，升序排列sort(v.begin(), v.end());

sort函数的第二个重载形式：默认升序排列 最后一个参数是 STL 六大组件中的仿函数。默认传入的仿函数对象为less<int>()，这是一个小堆，代表升序。如果要进行降序排序，需要传入的仿函数对象为greater<int>()（这是一个大堆，代表降序），如sort(v.begin(), v.end(), greater<int>());，运行结果可观察到确实进行了降序排序。

// 传入的仿函数对象为greater<int>() ，降序排列sort(v.begin(), v.end(), greater<int>());

反向迭代器与sort函数:

反向迭代器传递的可行性 除了正向迭代器，反向迭代器也可以传递给sort函数。

sort(v.rbegin(), v.rend());

反向迭代器排序的特性 当传递反向迭代器并默认按照升序排序时，从后往前进行升序排序就相当于从前往后进行降序排序。

总结：

升序排序（正向迭代器 - 第一个重载形式）

sort(v.begin(), v.end());

- 效果：按照默认的升序规则对`v`容器中的元素进行排序。

降序排序（正向迭代器 - 第二个重载形式）

sort(v.begin(), v.end(), greater<int>());

- 效果：通过传入`greater<int>()`仿函数对象，实现对`v`容器中的元素进行降序排序。

反向迭代器排序

sort(v.rbegin(),v.rend());

- 效果：从后往前进行升序排序，等同于从前往后进行降序排序。

2.3 vector类对象的常见容量操作

2.3.1 size 和 capacity

size 示例代码

#include <vector>#include <iostream>int main(){std::vector<int> v(10, 1);std::cout << "v的大小：" << v.size() << std::endl;return 0;}// v的大小：10

size函数返回vector中当前元素的个数。 capacity 示例代码：

#include <vector>#include <iostream>int main(){    std::vector<int> v;    std::cout << "初始容量: " << v.capacity() << std::endl;    for (int i = 0; i < 10; i++)    {        v.push_back(i);    }    std::cout << "添加10个元素后的容量: " << v.capacity() << std::endl;    return 0;}// 初始容量: 0// 添加10个元素后的容量: 13

capacity函数返回vector当前分配的存储空间能够容纳的元素数量。在不同的 STL 版本中，vector的扩容机制有所不同。例如在VS下的扩容机制是呈现 1.5 进行增长的，其STL是P.J.版本；在 Linux 下却始终是呈现的一个2倍的扩容机制，其STL是SGI版本

2.3.2 empty

- 示例代码：

#include <vector>#include <iostream>int main() {    std::vector<int> v;    std::cout << "初始时是否为空: " << (v.empty() ? "是" : "否") << std::endl;    v.push_back(1);    std::cout << "添加元素后是否为空: " << (v.empty() ? "是" : "否") << std::endl;    return 0;}// 初始时是否为空: 是// 添加元素后是否为空: 否

empty函数用于判断vector是否为空，如果vector中没有元素，则返回true，否则返回false。

2.3.3 reserve 和 resize

reserve

示例代码：

#include <vector>#include <iostream>int main() {    std::vector<int> v;    v.reserve(10);    std::cout << "预留空间后的容量: " << v.capacity() << std::endl;    return 0;}// 预留空间后的容量: 10

示例代码2：

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';}}}

reserve函数用于预先分配指定大小的存储空间，以避免在后续添加元素时频繁扩容。需要注意的是，reserve只改变vector的容量，不改变元素个数（size）。 resize 示例代码：

#include <vector>#include <iostream>int main() {    std::vector<int> v;    v.resize(3);    std::cout << "调整大小后的元素个数: " << v.size() << std::endl;    for (int i = 0; i < v.size(); i++)     {        std::cout << v[i] << " ";    }    std::cout << std::endl;    return 0;}// 调整大小后的元素个数: 3// 0 0 0

resize函数用于改变vector的元素个数。 如果新的大小大于当前大小，则会在末尾添加默认值（对于基本类型，默认值为 0）的元素；如果新的大小小于当前大小，则会删除多余的元素。

2.4 vector类对象的修改操作

函数名称	功能
push_back	在数组后追加元素
insert	在指定位置追加元素
assign	使用指定数组替换原数组
pop_back	删除数组最后一个元素
erase	删除数组指定部分区间
swap	交换两个数组

2.4.1 push_back 和 pop_back

push_back 示例代码：

#include <vector>#include <iostream>#include <string>int main() {    std::vector<std::string> v;    std::string name1("张三");    v.push_back(name1);    v.push_back(std::string("李四"));    v.push_back("王五");    for (auto str : v)     {        std::cout << str << " ";    }    std::cout << std::endl;    return 0;}// 张三 李四 王五

push_back函数用于在vector的末尾添加一个元素。它支持多种方式添加元素，如添加已有的对象、匿名对象或者利用单参数构造函数引发的隐式类型转换来添加元素。 pop_back 示例代码：

#include <vector>#include <iostream>int main() {    std::vector<int> v = { 1, 2, 3 };    v.pop_back();    for (auto num : v)     {        std::cout << num << " ";    }    std::cout << std::endl;    return 0;}// 1 2 （没有3）

pop_back函数用于删除vector末尾的一个元素。

2.4.2 insert 和 erase

insert 示例代码：

#include <vector>#include <iostream>int main() {    std::vector<std::string> v;    v.insert(v.begin(), "刘琦");    v.push_back("赵六");    for (auto str : v)     {        std::cout << str << " ";    }    std::cout << std::endl;    return 0;}// 刘琦 赵六

insert函数用于在指定位置之前插入一个元素。它有多种重载形式，可以根据不同的需求在vector中的不同位置插入元素。 erase 示例代码：

#include <vector>#include <iostream>int main() {    std::vector<int> v = { 1, 2, 3, 4 };    v.erase(v.begin() + 1);    for (auto num : v)     {        std::cout << num << " ";    }    std::cout << std::endl;    return 0;}// 1 3 5

erase函数用于删除指定位置的元素。它有两种重载形式，一种是传递单个迭代器来删除指定位置的元素，另一种是传递迭代器区间来删除多个元素。在想要删除容器内指定数据时，如果仅依靠vector本身的接口是无法直接做到的，需要借助<algorithm>头文件中的find函数。

2.4.3 find函数与迭代器失效

在vector中，查找指定元素通常使用<algotithm>头文件中的find函数。示例代码：

#include <vector>#include <iostream>#include <algorithm>int main() {    std::vector<int> v = { 1, 2, 3, 1, 4 };    auto pos = std::find(v.begin(), v.end(), 1);    while (pos != v.end())     {        v.erase(pos);        pos = std::find(pos, v.end(), 1);    }    for (auto num : v)     {        std::cout << num << " ";    }    return 0;}

在这个例子中，当我们使用erase函数删除元素后，vector的内部结构可能会发生改变，导致之前获取的迭代器pos失效。如果继续使用失效的迭代器，会导致未定义行为，如程序崩溃或者产生错误的结果。为了避免这种情况，在删除元素后，需要重新获取有效的迭代器，如代码中在每次删除元素后重新调用find函数获取下一个匹配元素的迭代器。