数据结构之---std::vector

最新推荐文章于 2025-04-23 11:05:52 发布

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文章标签：数据结构

本文链接：https://blog.youkuaiyun.com/nihaoma95278/article/details/144245045

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std::vector 是 C++ 标准库中提供的一个非常重要的数据结构，它是一个动态数组容器。与普通的 C 风格数组不同，std::vector 提供了许多内置的功能，使得它更灵活、易于使用且高效。

1. 概述

std::vector 是一个动态数组，可以在运行时动态地改变其大小。它是 C++ 标准模板库（STL）的一部分，通常用于存储可变大小的数据集合。std::vector 内部是通过一个连续的内存块来存储元素，类似于普通数组，因此它支持高效的随机访问。

2. 基本特性

动态大小：std::vector 的大小是动态变化的，您可以在程序运行时修改它的大小。
自动内存管理：std::vector 自动管理内存，程序员无需担心手动分配和释放内存。
支持常数时间随机访问：因为元素在内存中是连续存储的，可以像普通数组一样进行 O(1) 的随机访问。
自动扩展：当向 std::vector 添加元素时，它会自动扩展容量。如果当前容量不足以容纳更多元素，std::vector 会自动扩展内部存储的大小。

3. 基本用法

#include <iostream>
#include <vector>

int main() {
    // 创建一个空的整数类型vector
    std::vector<int> vec;

    // 向vector中添加元素
    vec.push_back(10);
    vec.push_back(20);
    vec.push_back(30);

    // 使用索引访问元素
    std::cout << "第一个元素: " << vec[0] << std::endl;

    // 使用迭代器遍历元素
    for (auto it = vec.begin(); it != vec.end(); ++it) {
        std::cout << *it << " ";
    }
    std::cout << std::endl;

    // 使用范围基的for循环遍历
    for (const auto& num : vec) {
        std::cout << num << " ";
    }

    return 0;
}

输出：

第一个元素: 10
10 20 30
10 20 30

4. 构造函数

std::vector 有多个构造函数：

默认构造函数：创建一个空的 std::vector。
```
std::vector<int> vec;
```
带初始大小的构造函数：创建一个有指定数量元素的 std::vector，所有元素的初始值为默认值（如零）。
```
std::vector<int> vec(10);  // 10个元素，初始化为0
```
带初始大小和初始值的构造函数：创建一个具有指定数量元素并用给定值初始化所有元素的 std::vector。
```
std::vector<int> vec(10, 5);  // 10个元素，所有元素为5
```
拷贝构造函数：通过另一个 std::vector 创建一个新的 std::vector，其内容相同。
```
std::vector<int> vec2 = vec1;  // vec2 是 vec1 的副本
```
移动构造函数：通过另一个 std::vector 移动构造一个新的 std::vector，避免拷贝开销。
```
std::vector<int> vec3 = std::move(vec2);  // vec2 的内容被“移动”到 vec3
```

5. 常用成员函数

添加元素
- push_back(value)：将一个元素添加到 vector 的末尾。
- emplace_back(args...)：在 vector 的末尾直接构造一个元素，避免了临时对象的创建。
```
vec.push_back(10);
vec.emplace_back(20);
```
访问元素
- operator[]：通过索引访问元素。如果访问越界，不会抛出异常。
- at(index)：通过索引访问元素，如果越界，则抛出 std::out_of_range 异常。
- front()：返回第一个元素。
- back()：返回最后一个元素。
```
std::cout << vec[0] << std::endl;
std::cout << vec.at(1) << std::endl;
std::cout << vec.front() << std::endl;
std::cout << vec.back() << std::endl;
```
修改大小
- resize(new_size)：改变 vector 的大小。如果新大小大于当前大小，会插入默认构造的元素。
- reserve(new_capacity)：预留一定的内存空间，避免后续的自动扩展操作。
- shrink_to_fit()：请求将 vector 的容量收缩到与元素数量相等的大小（注意：这不是强制性的，可能会被忽略）。
```
vec.resize(5);
vec.reserve(100);
vec.shrink_to_fit();
```
删除元素
- pop_back()：删除 vector 的最后一个元素。
- erase(iterator)：删除指定位置的元素。
- erase(first, last)：删除一个范围的元素。
```
vec.pop_back();
vec.erase(vec.begin());
vec.erase(vec.begin(), vec.begin() + 2);
```
清空容器
- clear()：删除所有元素，容器变为空。
```
vec.clear();
```

检查空容器

empty()：如果 vector 为空，返回 true，否则返回 false。

if (vec.empty()) {
    std::cout << "vector 是空的" << std::endl;
}

6. 迭代器

std::vector 提供了迭代器来遍历其元素。迭代器允许您像指针一样遍历 vector 元素。

begin()：返回指向第一个元素的迭代器。
end()：返回指向最后一个元素后面的迭代器。
rbegin() 和 rend()：返回反向迭代器，允许从后向前遍历。

for (auto it = vec.begin(); it != vec.end(); ++it) {
    std::cout << *it << " ";
}

for (auto it = vec.rbegin(); it != vec.rend(); ++it) {
    std::cout << *it << " ";
}

7. 性能特点

访问速度：由于 std::vector 内部元素是连续存储的，因此支持快速的随机访问，时间复杂度为 O(1)。
插入和删除：push_back 和 pop_back 操作在 vector 的尾部是常数时间操作（O(1)）。但是，在中间或头部插入或删除元素时，性能较差，通常是 O(n)，因为必须移动元素。
扩展：当 std::vector 超过其当前容量时，它会自动扩展容量。扩展通常是当前容量的两倍，这样可以减少扩展次数，优化性能。
内存管理：std::vector 会在内部使用一个连续的内存块，因此在向 vector 添加元素时，可能会重新分配内存。

8. 实际应用场景

动态数据结构：std::vector 适用于动态管理大小的数据结构，比如音频处理、实时传感器数据流、图像处理等场景。
替代数组：当需要使用数组，但又希望能够动态调整大小时，std::vector 是一个非常好的选择。
与 STL 算法一起使用：由于 std::vector 支持迭代器，可以非常方便地与标准算法（如 std::sort, std::find, std::accumulate 等）配合使用。