C++ vector用法详解

vector概述

  vector是种容器,类似数组一样,但它的size可以动态改变。

  vector的元素在内存中连续排列,这一点跟数组一样。这意味着我们元素的索引将非常快,而且也可以通过指针的偏移来获取vector中的元素。

  但连续排列也带来了弊端,当我们向vector中间插入一个数据时,整个vector的size变大,在内存中就需要重新分配空间,常规的做法是直接申请一个新的array,并将所有元素拷贝过去;但这么做的话,无疑太浪费时间,因此vector采用的做法是:vector会分配额外的空间,以适应size的动态增长。因此,包含同样数量元素的vector和数组相比,占用的空间会更大。而且在vector最后增加或者删除一个元素,消耗的时间是一个常数值,与vector的size无关。

  与其他容器(deques、lists、forward_lists)相比,vector在获取元素和对最后一个元素的操作效率上更高;但对于中间元素的操作,性能则相对较差。

vector的使用

头文件
#include <vector>
创建vector对象
std::vector<int> vec1;                                // 空的vector,数据类型为int
std::vector<int> vec2(4);                             // 4个值为0的vector
std::vector<int> vec3 (4,10);                         // 4个值为10的vector [10 10 10 10]
std::vector<int> vec4 (vec3.begin(),vec3.end());      // [10 10 10 10]
std::vector<int> vec5 (vec3);                         // [10 10 10 10]
std::vector<int> vec6 = {10, 20, 30, 40};             // [10 20 30 40]
属性及操作

Iterators

NameDescription
begin返回指向迭代器第一个元素的指针
end返回指向迭代器最后一个元素的指针
rbegin返回迭代器逆序第一个元素的指针
rend返回迭代器逆序最后一个元素的指针
cbegin返回常量迭代器的第一个元素的指针
cend返回常量迭代器的最第一个元素的指针
crbegin返回常量迭代器逆序的第一个元素的指针
crend返回常量迭代器逆序的最后一个元素的指针


Capacity

NameDescription
size返回当前vector使用数据量的大小
max_size返回vector最大可用的数据量
resize调整vector中的元素个数
capacity返回vector中总共可以容纳的元素个数
empty测试vector是否是空的
reserve控制vector的预留空间
shrink_to_fit减少capacity到size的大小


Element access

NameDescription
operator[]在[]中可以做运算
atvector.at(i)相当于vector[i]
front返回第一个元素的值
back返回最后一个元素的值
data返回指向vector内存数据的指针


Modifiers

NameDescription
assign指定vector内容
push_back在容器的最后一个位置插入元素x
pop_back删除最后一个元素
insert插入元素
erase擦除元素
swap交换两个容器的内容
clear将容器里的内容清空,size值为0,但是存储空间没有改变
emplace插入元素(与insert有区别)
emplace_back在容器的最后一个位置插入元素x(与push_back有区别)


Allocator

NameDescription
get_allocator返回vector的内存分配器


具体使用方法

Iterators

  Iterators使用方式比较简单,下面的程序也很直观的展现了它们的用法。其中it3it4for中使用auto来定义,使用更加方便。

#include <iostream>
#include <vector>

using namespace std;

int main() {
	vector<int> vec0;

	for (int i = 0; i < 10; ++i) {
		vec0.push_back(i);            //[0,1,2,3,4,5,6,7,8,9]
	}
	
	vector<int>::iterator it1;
	for (it1 = vec0.begin(); it1 != vec0.end(); ++it1) {
		cout << ' ' << *it1 << endl;   //[0,1,2,3,4,5,6,7,8,9]
	}

	vector<int>::reverse_iterator it2;
	for (it2 = vec0.rbegin(); it2 != vec0.rend(); ++it2) {
		cout << ' ' << *it2 << endl;   //[9,8,7,6,5,4,3,2,1,0]
	}
	
	for (auto it3 = vec0.cbegin(); it3 != vec0.end(); ++it3) {
		cout << ' ' << *it3 << endl;    //[0,1,2,3,4,5,6,7,8,9]
	}

	for (auto it4 = vec0.crbegin(); it4 != vec0.crend(); ++it4) {
		cout << ' ' << *it4 << endl;    //[9,8,7,6,5,4,3,2,1,0]
	}

	return 0;
}

  如果是vec0.begin()+1,则表示从第二个元素开始。

Capacity

  Capacity中的几个函数,从描述上看有点模糊,下面我们具体解释一下。

  

  • size返回的是当前vector中有多少元素;
  • max_size返回的是最大可用的数据量,这跟实际的硬件有关,但也并不是所有的内存空间都可用,比如下面程序中的运行的内存大小为32GByte,但返回的结果是4GByte;
  • capacity是当前vector分配的可以容纳的元素个数,下面的代码中,vec0可以容纳13个元素,但仅包含了size(即10)个元素,还有3个元素可以放进去,当再放入超过3个元素后,vec0就会被重新分配空间;所以,capacity始终大于等于size
  • resize把容器改为容纳n个元素。调用resize之后,size将会变为n;其中n又分了三种情况,当n<size时,容器尾部的元素会被销毁,capacity保持不变;当size<n≤capacity时,新增加的元素都是0,capacity保持不变;当n>capacity时,size和capacity同时变为n,新增加的元素都是0;
  • empty比较简单,当vector为空时,返回1,不为空返回0;
  • shrink_to_fit,去掉预留的空间,capacity与size保持一致
#include <iostream>
#include <vector>

using namespace std;

int main() {
	vector<int> vec0;
	cout << "vec0 empty status:" << vec0.empty() << endl;   // 1

	for (int i = 0; i < 10; ++i) {
		vec0.push_back(i);            //[0,1,2,3,4,5,6,7,8,9]
	}

	cout << "vec0 empty status:" << vec0.empty() << endl;   // 0

	//---------------Capacity--------------------------
	cout << "vec0 size:" << vec0.size() << endl;          //10
	cout << "vec0 max size:" << vec0.max_size() << endl;  //1073741823 = 4GByte
	cout << "vec0 capacity:" << vec0.capacity() << endl;  //13
	vec0.resize(20);
	cout << "new size:" << vec0.size() << "  new capacity:" << vec0.capacity() << endl;  //20 20
	vec0.resize(5);
	cout << "new size:" << vec0.size() << "  new capacity:" << vec0.capacity() << endl;  // 5 20
	vec0.shrink_to_fit();
	cout << "new size:" << vec0.size() << "  new capacity:" << vec0.capacity() << endl;  // 5 5

	return 0;
}
  • reserve用来指定vector的预留空间,在上面的代码中,没有resize前capacity是值为13,但我们可以提前指定vector的容量。
#include <iostream>
#include <vector>

using namespace std;

int main() {
	//---------------reserve-----------------------------
	std::vector<int> vec0;
	int sz;
	sz = vec0.capacity();
	std::cout << "making vec0 grow:\n";
	for (int i = 0; i < 100; ++i) {
		vec0.push_back(i);
		if (sz != vec0.capacity()) {
			sz = vec0.capacity();
			std::cout << "capacity changed: " << sz << '\n';
		}
	}

	std::vector<int> vec1;
	sz = vec1.capacity();
	vec1.reserve(100);   // this is the only difference with vec0 above
	std::cout << "making vec1 grow:\n";
	for (int i = 0; i < 100; ++i) {
		vec1.push_back(i);
		if (sz != vec1.capacity()) {
			sz = vec1.capacity();
			std::cout << "capacity changed: " << sz << '\n';
		}
	}
	return 0;
}

打印结果为:

making vec0 grow:
capacity changed: 1
capacity changed: 2
capacity changed: 3
capacity changed: 4
capacity changed: 6
capacity changed: 9
capacity changed: 13
capacity changed: 19
capacity changed: 28
capacity changed: 42
capacity changed: 63
capacity changed: 94
capacity changed: 141
making vec1 grow:
capacity changed: 100

Element access

  vector元素获取的使用方法也比较简单,下面的代码可以很好的展示:

vector<int> vec0;
for (int i = 0; i < 10; ++i) {
	vec0.push_back(i);            //[0,1,2,3,4,5,6,7,8,9]
}

for (unsigned int i = 0; i < vec0.size(); ++i) {
		cout << vec0.at(i) << endl;       //[0,1,2,3,4,5,6,7,8,9]
	}

	cout << "front element:" << vec0.front() << endl;  //0
	cout << "back element:" << vec0.back() << endl;    //9

	vector<int>vec1(5);             // [0,0,0,0,0]
	int *p = vec1.data();           // vec1 must not be empty
	for (unsigned int i = 0; i < vec1.size(); ++i) {
		*p = i;
		++p;
	}
	for (unsigned int i = 0; i < vec1.size(); ++i) {
		cout << vec1[i] << endl;    // [0,1,2,3,4]
	}

Modifiers

  assign主要有三种用法,如下面的demo所示:

vector<int> vec1;
vector<int> vec2;
vector<int> vec3;

vec1.assign(5, 10);               //[10,10,10,10,10]

vector<int>::iterator it;
it = vec1.begin() + 1;

vec2.assign(it, vec1.end() - 1);  //[10,10,10]

int arr[] = { 10,20,30,40};
vec3.assign(arr, arr + 4);        //[10,20,30,40]

  push_backpop_back用法比较简单

vec0.push_back(55);
cout << "Last element:" << vec0.back() << "  size: " << vec0.size()<< endl;  //55 11
vec0.pop_back();
cout << "Last element:" << vec0.back() << "  size: " << vec0.size() << endl; //9 10

  在vector中,有插入元素功能的函数有四个:push_backinsertemplaceemplace_back,其中push_back上面讲了,emplace_back是在C++11中引入的,用法跟push_back完全一样,都是在vector的最后插入一个元素。

vec3.emplace_back(100);

那为什么要引入一个用法完全一样的函数?因为它们的底层实现方式不同,push_back向容器尾部添加元素时,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。

  insertemplace(C++11中引入)都可以向vector中间插入元素,但insert可以插入多个元素,emplace一次只能插入一个元素。

  insert有三种用法:

  1. 在指定位置loc前插入值为val的元素,返回指向这个元素的迭代器,
  2. 在指定位置loc前插入num个值为val的元素
  3. 在指定位置loc前插入区间[start, end)的所有元素
// method1
vector<int> vec1;
int arr[] = { 1,2,3,4,5 };
vec1.insert(vec1.begin(), arr, arr + 5);     //[1,2,3,4,5]

// method2
vector<int> vec2(vec1); 
vector<int>::iterator it = vec1.begin() + 2;
vec1.insert(it, 3, 20);                      // [1,2,20,20,20,3,4,5]

// method3
vector<int> vec3(3, 40);
vector<int>::iterator it2 = vec2.begin();
vec2.insert(it2, vec3.begin(), vec3.end());  // [40,40,40,1,2,3,4,5]

  emplace的使用方式为:

iterator emplace (const_iterator pos, args...);
vector<int> vec0{1,2,3};
vec0.emplace(vec0.begin()+2,10);    //[1,2,10,3]

  若都是插入一个元素的情况下,该使用哪个函数呢?当然是C++11中新引入的emplaceemplace在插入元素时,在指定位置直接构造元素,而insert是生成元素,再将其赋值或移动到容器中。

  vector中有三种可以删除元素的操作,第一种就是我们上面讲到的pop_back,删除最后一个元素,无返回值;第二种是clear,将容器清空,size变为0,无返回值;第三种是erase,通过迭代器来删除元素,可以删除一个元素,也可以删除某个范围内的元素,返回下一个位置的迭代器。

vector<int> vec0{ 1,2,3,4,5,6,7,8,9,10};
//for (int i = 0; i < 4; ++i) {
//	vec0.pop_back();
//}
vec0.erase(vec0.begin() + 3);               // [1,2,3,5,6,7,8,9,10]
vec0.erase(vec0.begin(), vec0.begin() + 5); // [7,8,9,10]
//vec0.clear();

  swap的用法也比较简单,就是交换两个vector的内容

vector<int> vec1{ 1,2,3,4,5 };
vector<int> vec2{ 10,20,30 };
vec1.swap(vec2);

Allocator

  get_allocator用的不是特别多,我们把使用方法讲一下。

vector<int> myvector;
int * p;
unsigned int i;

// 使用Allocator为数组分配5个元素的空间
p = myvector.get_allocator().allocate(5);


for (i=0; i<5; i++) myvector.get_allocator().construct(&p[i],i);

std::cout << "The allocated array contains:";
for (i=0; i<5; i++) std::cout << ' ' << p[i];    //[0,1,2,3,4]


for (i=0; i<5; i++) myvector.get_allocator().destroy(&p[i]);
myvector.get_allocator().deallocate(p,5);

二维数组

  上面我们讲的,都相当于是一维数组,vector还支持二维数组,但这种二维数组是通过嵌套的方式来实现,并不像Python或者Matlab的矩阵那么直观。

vector<vector<int>> arr(3);
for (int i = 0; i < 3; ++i) {
	arr[i].resize(3);           //3x3 array
}
for (int i = 0; i < 3; ++i) 
	for (int k = 0; k < 3; ++k) 
		arr[i][k] = i * k;      // 赋值
arr.resize(4);                  // 二维数组包含4个变量
arr[2].resize(5);               // 第3个变量包含5个变量

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