C++ STL Vector详解-优快云博客

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STL: standard template library
1.容器
序列式容器

STL: standard template library

C++ STL（标准模板库）是一套功能强大的 C++ 模板类，提供了通用的模板类和函数，这些模板类和函数可以实现多种流行和常用的算法和数据结构，如向量、链表、队列、栈等。

STL的一个重要特点就是数据结构和算法的分离。例如，STL中sort()函数是完全通用的，你可以用它来操作几乎任何数据集合，包括链表，容器和数组。

STL另一个重要特性是它不是面向对象的，主要依赖于模版，而不是封装和继承

STL 是由容器、算法、迭代器、函数对象、适配器、内存分配器这 6 部分构成，其中后面 4 部分是为前 2 部分服务的。
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1.容器

简单的理解容器，它就是一些模板类的集合，但和普通模板类不同的是，容器中封装的是组织数据的方法（也就是数据结构）。STL 提供有 3 类标准容器，分别是序列容器、排序容器和哈希容器，其中后两类容器有时也统称为关联容器。
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序列式容器：
所谓序列容器，即以线性排列（类似普通数组的存储方式）来存储某一指定类型（例如 int、double 等）的数据，需要特殊说明的是，该类容器并不会自动对存储的元素按照值的大小进行排序。
需要注意的是，序列容器只是一类容器的统称，并不指具体的某个容器，序列容器大致包含以下几类容器：

array<T,N>（数组容器）：表示可以存储 N 个 T 类型的元素，是 C++ 本身提供的一种容器。此类容器一旦建立，其长度就是固定不变的，这意味着不能增加或删除元素，只能改变某个元素的值；
vector（向量容器）：用来存放 T 类型的元素，是一个长度可变的序列容器，即在存储空间不足时，会自动申请更多的内存。使用此容器，在尾部增加或删除元素的效率最高（时间复杂度为 O(1) 常数阶），在其它位置插入或删除元素效率较差（时间复杂度为 O(n) 线性阶，其中 n 为容器中元素的个数）；
deque（双端队列容器）：和 vector 非常相似，区别在于使用该容器不仅尾部插入和删除元素高效，在头部插入或删除元素也同样高效，时间复杂度都是 O(1) 常数阶，但是在容器中某一位置处插入或删除元素，时间复杂度为 O(n) 线性阶；
list（链表容器）：是一个长度可变的、由 T 类型元素组成的序列，它以双向链表的形式组织元素，在这个序列的任何地方都可以高效地增加或删除元素（时间复杂度都为常数阶 O(1)），但访问容器中任意元素的速度要比前三种容器慢，这是因为 list 必须从第一个元素或最后一个元素开始访问，需要沿着链表移动，直到到达想要的元素。
forward_list（正向链表容器）：和 list 容器非常类似，只不过它以单链表的形式组织元素，它内部的元素只能从第一个元素开始访问，是一类比链表容器快、更节省内存的容器。

注意，其实除此之外，stack 和 queue 本质上也属于序列容器，只不过它们都是在 deque 容器的基础上改头换面而成，通常更习惯称它们为容器适配器。

容器的成员函数参考
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序列式容器

array

和其它容器不同，array 容器的大小是固定的，无法动态的扩展或收缩，这也就意味着，在使用该容器的过程无法借由增加或移除元素而改变其大小，它只允许访问或者替换存储的元素。

array 容器以类模板的形式定义在头文件，并位于命名空间 std 中, array<T,N> 类模板中，T 用于指明容器中的存储的具体数据类型，N 用于指明容器的大小，需要注意的是，这里的 N 必须是常量，不能用变量表示。

创建具有 10 个 double 类型元素的 array 容器：

std::array<double, 10> values;

创建 array 容器的方式，可以将所有的元素初始化为 0 或者和默认元素类型等效的值：

std::array<double, 10> values {};

在创建 array 容器的实例时，也可以像创建常规数组那样对元素进行初始化, 这里只初始化了前 4 个元素，剩余的元素都会被初始化为 0.0。：

std::array<double, 10> values {0.5,1.0,1.5,2.0};

array 容器是 C++ 11 标准中新增的序列容器，简单地理解，它就是在 C++ 普通数组的基础上，添加了一些成员函数和全局函数。在使用上，它比普通数组更安全，且效率并没有因此变差。当需要访问容器中某个指定元素时，建议使用 at()，除非确定索引没有越界, 当传给 at() 的索引是一个越界值时，程序会抛出 std::out_of_range 异常。

除此之外，array 容器还提供了 get 模板函数，它是一个辅助函数，能够获取到容器的第 n 个元素。需要注意的是，该模板函数中，参数的实参必须是一个在编译时可以确定的常量表达式，所以它不能是一个循环变量。也就是说，它只能访问模板参数指定的元素，编译器在编译时会对它进行检查。

用 array 容器替换普通数组的好处是，array 模板类中已经封装好了大量实用的方法，在提高开发效率的同时，代码的运行效率也会大幅提高。array 容器提供的 at() 成员函数，可以有效防止越界操纵数组的情况；fill() 函数可以实现数组的快速初始化；swap() 函数可以轻松实现两个相同数组（类型相同，大小相同）中元素的互换。

vector

STL 众多容器中，vector 是最常用的容器之一，其底层所采用的数据结构非常简单，就只是一段连续的线性内存空间。

vector 容器是 STL 中最常用的容器之一，它和 array 容器非常类似，都可以看做是对 C++ 普通数组的“升级版”。不同之处在于，array 实现的是静态数组（容量固定的数组），而 vector 实现的是一个动态数组，即可以进行元素的插入和删除，在此过程中，vector 会动态调整所占用的内存空间，整个过程无需人工干预。

vector 常被称为向量容器，因为该容器擅长在尾部插入或删除元素，在常量时间内就可以完成，时间复杂度为O(1)；而对于在容器头部或者中部插入或删除元素，则花费时间要长一些（移动元素需要耗费时间），时间复杂度为线性阶O(n)。

vector 容器以类模板 vector（ T 表示存储元素的类型）的形式定义在头文件中，并位于 std 命名空间中。

创建存储 double 类型元素的一个 vector 容器：

std::vector values;

除了创建空 vector 容器外，还可以在创建的同时指定初始值以及元素个数

std::vector primes {2, 3, 5, 7, 11, 13, 17, 19};

在创建 vector 容器时，也可以指定元素个数：

std::vector values(20);

注意，圆括号 () 和大括号 {} 是有区别的，前者（例如 (20) ）表示元素的个数，而后者（例如 {20} ）则表示 vector 容器中只有一个元素 20。

如果不想用 0 作为默认值，也可以指定一个其它值，例如：

std::vector values(20,1.0)
圆括号 () 中的 2 个参数，既可以是常量，也可以用变量来表示，例如：
int num=20;
double value =1.0;
std::vector values(num, value);

通过存储元素类型相同的其它 vector 容器，也可以创建新的 vector 容器，例如：

std::vectorvalue1(5, ‘c’);
std::vectorvalue2(value1);
在此基础上，如果不想复制其它容器中所有的元素，可以用一对指针或者迭代器来指定初始值的范围，例如：
int array[]={1,2,3};
std::vectorvalues(array, array+2);//values 将保存{1,2}
std::vectorvalue1{1,2,3,4,5};
std::vectorvalue2(std::begin(value1),std::begin(value1)+3);//value2保存{1,2,3}

和 array 容器一样，vector 容器也提供了 at() 成员函数，当传给 at() 的索引会造成越界时，会抛出std::out_of_range异常。

vector 容器还提供了 data() 成员函数，该函数的功能是返回指向容器中首个元素的指针。通过该指针也可以访问甚至修改容器中的元素。

vector 容器的容量（用 capacity 表示），指的是在不分配更多内存的情况下，容器可以保存的最多元素个数；而 vector 容器的大小（用 size 表示），指的是它实际所包含的元素个数。

当 vector 容器的大小和容量相等时，如果再向其添加（或者插入）一个元素，vector 往往会申请多个存储空间，而不仅仅只申请 1 个。

vector扩大容量的本质
另外需要指明的是，当 vector 的大小和容量相等（size==capacity）也就是满载时，如果再向其添加元素，那么 vector 就需要扩容。vector 容器扩容的过程需要经历以下 3 步：
完全弃用现有的内存空间，重新申请更大的内存空间；
将旧内存空间中的数据，按原有顺序移动到新的内存空间中；
最后将旧的内存空间释放。
这也就解释了，为什么 vector 容器在进行扩容后，与其相关的指针、引用以及迭代器可能会失效的原因。

由此可见，vector 扩容是非常耗时的。为了降低再次分配内存空间时的成本，每次扩容时 vector 都会申请比用户需求量更多的内存空间（这也就是 vector 容量的由来，即 capacity>=size），以便后期使用。
vector 容器扩容时，不同的编译器申请更多内存空间的量是不同的。以 VS 为例，它会扩容现有容器容量的 50%。

深度剖析C++ vector容器的底层实现机制

1.vector添加元素（push_back()和emplace_back()）详解

向 vector 容器中添加元素的唯一方式就是使用它的成员函数，如果不调用成员函数，非成员函数既不能添加也不能删除元素。这意味着，vector 容器对象必须通过它所允许的函数去访问，迭代器显然不行。

emplace_back() 和 push_back() 的区别，就在于底层实现的机制不同。push_back() 向容器尾部添加元素时，首先会创建这个元素，然后再将这个元素拷贝或者移动到容器中（如果是拷贝的话，事后会自行销毁先前创建的这个元素）；而 emplace_back() 在实现时，则是直接在容器尾部创建这个元素，省去了拷贝或移动元素的过程。

push_back() 在底层实现时，会优先选择调用移动构造函数，如果没有才会调用拷贝构造函数。

显然完成同样的操作，push_back() 的底层实现过程比 emplace_back() 更繁琐，换句话说，emplace_back() 的执行效率比 push_back() 高。因此，在实际使用时，建议大家优先选用 emplace_back()。