C++的动态数组以及std:vector的优化

文章目录

- 静态数组
- 动态数组
- - 代码背景
  - 第一种打印方式：使用 `for` 循环和索引
  - - 解释
  - 第二种打印方式：使用基于范围的 `for` 循环
  - - 解释
    - 改进方式：避免拷贝
  - 总结
  - 清理数组
- 代码示例
- - 代码分析
  - 输出结果
  - 总结
- 代码示例
- - 代码详解
  - 总结
  - - 使用 `reserve` 的优点:
    - 使用 `emplace_back` 的优点:

在C++编程中，数组是一种常见的数据结构，用于存储固定大小的相同类型的数据。然而，在实际应用中，数据量往往难以预估，这时静态数组的固定大小限制就显得尤为不便。为了解决这一问题，C++引入了动态数组的概念。动态数组允许程序在运行时根据实际需求灵活地分配内存空间，从而有效地处理数据大小不确定的情况。

在本文中，我们将深入探讨C++中动态数组的实现方式，包括手动内存管理、常见的动态数组操作，以及C++标准库中提供的std::vector容器。通过这些内容，您将掌握如何在C++中有效地使用动态数组来编写更灵活和高效的代码。

静态数组

在这里插入图片描述

动态数组

在这段代码中，你展示了两种不同的方式来遍历并打印 std::vector<Vertex> 中的元素。这两种方式各有特点，适合不同的使用场景。让我们详细分析这两种方式。

代码背景

假设 Vertex 是一个自定义的结构体或类，包含了三个整数作为其成员变量，例如：

struct Vertex {
    int x, y, z;

    // 重载 << 操作符，使得 Vertex 对象可以直接用于 std::cout
    friend std::ostream& operator<<(std::ostream& os, const Vertex& v) {
        os << "Vertex(" << v.x << ", " << v.y << ", " << v.z << ")";
        return os;
    }
};

第一种打印方式：使用 `for` 循环和索引

for (int i = 0; i < vertices.size(); i++)
    std::cout << vertices[i] << std::endl;

解释

访问方式: 这段代码使用经典的 for 循环，通过索引 i 访问 vertices 中的每一个元素。
打印输出: 通过 vertices[i] 获取到每个 Vertex 对象，并利用重载的 << 操作符将对象输出到控制台。
优点:
- 灵活性高：可以通过索引轻松访问和修改特定元素。
- 兼容性：这种方式适用于任何标准容器，如数组、std::vector、std::deque等。
缺点:
- 代码冗长：需要手动管理索引。
- 易错性：如果不小心，可能会访问越界的索引。

第二种打印方式：使用基于范围的 `for` 循环

for (Vertex v : vertices)
    std::cout << v << std::endl;

解释

访问方式: 这段代码使用了 C++11 引入的基于范围的 for 循环，它可以自动遍历 vertices 中的每一个元素。
打印输出: Vertex v 是从 vertices 容器中拷贝出来的元素，使用 v 直接进行打印。
优点:
- 简洁易读：代码更加简洁，不需要管理索引，降低了出错的可能性。
- 安全性：不需要担心数组越界问题。
缺点:
- 拷贝开销：由于 v 是一个拷贝对象，如果 Vertex 对象较大，这可能会带来一些性能开销。不过，如果 Vertex 是一个轻量级的结构体，这种开销可以忽略不计。
- 只读访问：默认情况下，基于范围的 for 循环会创建一个拷贝，这意味着你不能直接修改原容器中的元素。

改进方式：避免拷贝

如果你希望避免不必要的拷贝，可以使用引用：

for (const Vertex& v : vertices)
    std::cout << v << std::endl;

引用访问: 使用 const Vertex& v 表示我们通过引用而不是拷贝来访问每个元素。这不仅避免了拷贝的开销，还保证了容器元素不会被修改。

总结

使用索引的 for 循环: 适用于需要灵活操作元素或需要进行修改的场景。这种方式更传统，也更加通用，但代码稍显繁琐。
基于范围的 for 循环: 更加简洁易读，适用于需要遍历整个容器且不需要修改元素的场景。如果需要避免拷贝，可以使用引用。

两种方法各有优劣，选择哪一种主要取决于代码的上下文和具体需求。

清理数组

在这里插入图片描述

代码示例

#include <iostream>
#include <vector>

struct Vertex {
    int x, y, z;

    // 重载 << 操作符，使得 Vertex 对象可以直接用于 std::cout
    friend std::ostream& operator<<(std::ostream& os, const Vertex& v) {
        os << "Vertex(" << v.x << ", " << v.y << ", " << v.z << ")";
        return os;
    }
};

// 函数声明
void Function(const std::vector<Vertex>& vertices) {
    // 函数内部没有内容，仅作传递演示
}

int main() {
    std::vector<Vertex> vertices;

    // 向vector中添加元素
    vertices.push_back({1, 2, 3});
    vertices.push_back({4, 5, 6});

    // 调用Function并传递vertices
    Function(vertices);

    // 遍历并打印vector内容
    for (int i = 0; i < vertices.size(); i++)
        std::cout << vertices[i] << std::endl;

    // 删除vector中的第二个元素
    vertices.erase(vertices.begin() + 1);

    // 再次遍历并打印vector内容
    for (int i = 0; i < vertices.size(); i++)
        std::cout << vertices[i] << std::endl;

    return 0;
}

代码分析

定义 Vertex 结构体:
- Vertex 结构体包含三个整数 x, y, z，表示一个三维点。
- 重载了 << 操作符，方便直接将 Vertex 对象输出到标准输出流。
函数 Function:
- Function 函数接受一个 std::vector<Vertex> 的常量引用作为参数。这意味着传递给该函数的 vertices 向量将不会被修改。
- 该函数内部没有实际操作，但展示了如何传递一个 std::vector 的引用，避免不必要的拷贝。
在 main 函数中:
- 创建 vertices 向量: 使用 std::vector<Vertex> 创建了一个名为 vertices 的向量，并通过 push_back 方法添加了两个 Vertex 对象。
- 调用 Function 函数: 将 vertices 向量传递给 Function 函数。在函数内部，尽管没有进行操作，但由于参数是通过常量引用传递的，这种方式避免了整个向量的拷贝。
- 遍历并打印 vertices 向量: 使用 for 循环遍历向量中的每个 Vertex 对象，并使用 std::cout 将其输出到控制台。此时会打印出 vertices 向量中的两个元素。
- 删除第二个元素: 使用 erase 方法删除了向量中的第二个元素（索引为1）。erase 会从向量中移除指定位置的元素，且后续元素会前移填补空缺，向量的大小会减1。
- 再次遍历并打印 vertices 向量: 删除元素后，再次遍历并打印 vertices，此时只会输出剩下的一个元素。

输出结果

假设 Vertex 重载的 << 操作符输出格式为 Vertex(x, y, z)，那么程序的输出将如下：

Vertex(1, 2, 3)
Vertex(4, 5, 6)
Vertex(1, 2, 3)

总结

这段代码展示了如何在C++中使用 std::vector，包括如何添加元素、传递给函数、遍历元素、删除元素等常见操作。通过使用常量引用作为函数参数，可以避免不必要的拷贝操作，从而提高程序效率。与此同时，erase 操作能够灵活地修改向量内容，是管理动态数据的常用手段。

这段代码使用了C++标准库中的std::vector和emplace_back函数来创建和管理一个Vertex对象的动态数组。让我们详细分析每一步的操作及其目的。

代码示例

std::vector<Vertex> vertices;
vertices.reserve(3);
vertices.emplace_back(1, 2, 3);
vertices.emplace_back(4, 5, 6);
vertices.emplace_back(7, 8, 9);

代码详解

创建 std::vector<Vertex> 向量:
```
std::vector<Vertex> vertices;
```
- 创建了一个空的std::vector对象，名为vertices，用于存储Vertex类型的对象。
- std::vector 是一个动态数组，可以自动调整其大小以容纳元素。
调用 reserve(3):
```
vertices.reserve(3);
```
- reserve 函数请求将 vertices 向量的容量增加到至少3个元素的大小。这样做可以避免在向向量中添加元素时频繁的内存分配操作，提高性能。
- 需要注意的是，reserve 只是预分配内存，但不会改变 vertices 的实际大小或内容。此时 vertices 的大小仍为0，但它的容量为3。
使用 emplace_back 添加元素:
```
vertices.emplace_back(1, 2, 3);
vertices.emplace_back(4, 5, 6);
vertices.emplace_back(7, 8, 9);
```
- emplace_back 是 std::vector 的一个成员函数，用于在向量末尾直接构造一个元素，而无需先创建临时对象再拷贝或移动到向量中。
- 在这里，emplace_back(1, 2, 3) 等价于 vertices.push_back(Vertex(1, 2, 3))，但 emplace_back 更高效，因为它直接在向量的内存中构造对象，避免了额外的临时对象创建和移动操作。
- 每次调用 emplace_back 都会向 vertices 向量中添加一个 Vertex 对象。经过三次调用后，vertices 向量中包含三个 Vertex 对象，分别存储 (1, 2, 3)、(4, 5, 6) 和 (7, 8, 9)。