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C++ 容器类 <vector>（手把手讲解）
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前言
在 C++ 编程中，C++ 容器类 <vector> 的核心特性与使用技巧都至关重要。本文将从基础概念、核心操作、底层原理到实际案例，系统性地解析这一容器类的使用方法与设计逻辑，帮助开发者循序渐进地提升编程能力。
一、基础概念：什么是 vector？
vector 是 C++ 标准库中的一种序列式容器，底层基于动态数组实现。它能够自动管理内存，根据实际需求动态扩展或收缩存储空间。与静态数组相比，vector 的优势在于：
- 动态容量：无需预先指定大小，元素数量可随程序运行实时调整；
- 随机访问：支持通过下标快速访问任意位置的元素；
- 自动内存管理：开发者无需手动分配或释放内存，降低内存泄漏风险。
形象地比喻，vector 就像一个“智能收纳盒”：当你需要存放更多物品时，它会自动扩展空间；当你取出物品后，它会根据需要收缩，避免浪费存储资源。
二、vector 的核心操作与代码示例
1. 初始化与赋值
vector 可以通过多种方式初始化，例如直接声明、列表推导或通过其他容器构造：
// 空初始化
std::vector<int> vec;
// 初始容量指定
std::vector<int> vec(5); // 创建包含 5 个 0 的整型 vector
// 列表初始化
std::vector<int> vec = {1, 2, 3, 4, 5};
// 通过其他容器初始化
std::vector<int> vec2(vec.begin(), vec.end());
2. 元素添加与删除
添加元素
push_back()：将元素追加到容器末尾，时间复杂度为 O(1)（平均情况）。vec.push_back(6); // 将 6 添加到 vec 末尾insert()：在指定位置插入元素或多个元素：vec.insert(vec.begin() + 2, 10); // 在索引 2 处插入 10 vec.insert(vec.end(), {11, 12}); // 在末尾插入多个元素
删除元素
pop_back()：移除最后一个元素，时间复杂度 O(1)：vec.pop_back(); // 移除 vec 的最后一个元素erase()：通过迭代器或索引删除指定位置的元素：vec.erase(vec.begin() + 3); // 删除索引 3 处的元素
3. 访问与查询
访问元素
operator[]：通过下标访问，但无边界检查：int value = vec[2]; // 获取索引 2 的元素at()：提供安全访问，超出范围时抛出std::out_of_range异常：int safe_value = vec.at(2); // 安全访问
容量与状态查询
size_t size = vec.size(); // 返回元素数量
bool is_empty = vec.empty(); // 判断是否为空
size_t capacity = vec.capacity(); // 返回当前分配的内存容量
三、vector 的迭代器与遍历
迭代器（Iterator） 是 C++ 中用于访问容器元素的指针类对象。vector 支持以下迭代器类型：
- 正向迭代器：通过
begin()和end()获取，从起始到末尾； - 反向迭代器：通过
rbegin()和rend()获取，从末尾到起始。
遍历示例
// 正向遍历
for (auto it = vec.begin(); it != vec.end(); ++it) {
std::cout << *it << " ";
}
// 范围 for 循环（C++11 起）
for (int num : vec) {
std::cout << num << " ";
}
// 反向遍历
for (auto it = vec.rbegin(); it != vec.rend(); ++it) {
std::cout << *it << " ";
}
四、vector 的内存管理与动态扩容机制
vector 的动态扩容机制是其核心特性之一。当元素数量超过当前容量时，vector 会申请更大的内存块，并将原有数据迁移至新地址。这一过程称为“扩容”。
扩容策略
vector 的扩容通常遵循以下规则：
- 初始容量：默认初始容量为 0 或根据构造函数指定；
- 扩容因子：当容量不足时，新容量通常为当前容量的 1.5~2 倍（具体实现可能因编译器而异）；
- 内存迁移：扩容会导致所有元素重新拷贝，因此频繁扩容可能影响性能。
示例：观察扩容行为
std::vector<int> vec;
std::cout << "Capacity: " << vec.capacity() << std::endl; // 初始容量可能为 0
for (int i = 0; i < 10; ++i) {
vec.push_back(i);
std::cout << "After " << i+1 << " elements: Capacity = " << vec.capacity() << std::endl;
}
输出可能显示容量随元素数量增长呈指数级增加，例如：0 → 1 → 2 → 4 → 8 → 16...
优化技巧
- 预分配容量：使用
reserve()减少扩容次数：vec.reserve(100); // 预分配 100 个元素的容量 - 避免不必要的拷贝：使用
emplace_back()直接在容器内构造对象，而非拷贝：vec.emplace_back(10); // 直接在容器末尾构造元素，效率更高
五、vector 的底层实现解析
内部结构
vector 的底层通常由三个指针组成：
start：指向容器首元素的指针；finish：指向容器末尾元素后一个位置的指针；end_of_storage：指向容器当前分配内存末尾的指针。
通过这三个指针，vector 可以动态管理其容量和大小：
size()：finish - start；capacity()：end_of_storage - start。
扩容流程图示
当 size() 接近 capacity() 时：
- 计算新容量（通常为原容量的 1.5~2 倍）；
- 分配新内存块；
- 将旧数据拷贝到新内存；
- 释放旧内存，更新指针。
六、常见问题与最佳实践
1. 越界访问与迭代器失效
- 越界访问：通过
operator[]访问超出size()的索引会导致未定义行为。 - 迭代器失效：在
push_back()、insert()或erase()后，原有迭代器可能失效。
2. 性能优化建议
- 预分配容量：避免频繁扩容，尤其是循环中多次调用
push_back()； - 避免拷贝 vector：传递或返回 vector 时，优先使用引用或
std::move()； - 使用
reserve()和shrink_to_fit()：根据场景调整内存占用。
七、实际案例：统计单词频率
以下案例演示如何用 vector 实现单词频率统计：
#include <vector>
#include <string>
#include <algorithm>
struct WordCount {
std::string word;
int count = 0;
};
void count_words(const std::vector<std::string>& words) {
std::vector<WordCount> counts;
for (const auto& word : words) {
auto it = std::find_if(counts.begin(), counts.end(),
[&](const WordCount& wc) { return wc.word == word; });
if (it != counts.end()) {
++it->count;
} else {
counts.emplace_back(WordCount{word, 1});
}
}
// 输出结果
}
此案例展示了 vector 在存储自定义结构体、结合算法库（如 std::find_if）时的灵活性。
八、结论
C++ 容器类 reserve()、emplace_back() 等优化技巧，并注意迭代器失效等潜在陷阱，以最大化 vector 的性能优势。
掌握 vector 仅仅是 C++ 容器学习的起点，后续可进一步探索 list、map 等其他容器，逐步构建面向对象编程的完整知识体系。