引言
亲爱的小伙伴们，今天我要和大家分享一个C++编程中的"神器"——vector容器！作为STL（标准模板库）中最常用的容器之一，vector就像是一个"超级数组"，既有数组的高效随机访问特性，又能自动调整大小，让你告别固定大小数组的困扰。不管你是刚接触C++的新手，还是想深入理解vector实现原理的老手，这篇博客都能带给你新的收获！
一、什么是vector？
想象一下，你正在收集各种小玩具，但不确定最终会有多少个。用普通数组的话，你得提前决定一个上限，太小了不够用，太大了又浪费空间。这时候，vector就像一个神奇的收纳盒，它能根据你放入的玩具数量自动调整大小！
定义与特点
- 动态数组：vector是一个能够存放任意类型的动态数组
- 连续内存：vector中的元素在内存中连续存储，支持高效的随机访问
- 自动扩容：当空间不足时，vector会自动分配更大的内存空间
- 类型安全：通过模板机制确保类型安全
vector的内部结构
从实现原理上看，vector内部维护三个关键指针：
指向数据的起始位置 —— start
指向最后一个元素的下一个位置 —— finish
指向分配的内存空间的尾端 —— end_of_storage
!vector内部结构示意图
这就像一个能伸缩的宿舍：
- start是宿舍的门口
- finish是最后一名同学睡的床位后面一点的位置
- end_of_storage是宿舍的墙壁（容量上限）
二、vector的基本操作
创建vector
#include <vector>
// 创建空vector
std::vector<int> vec1;
// 创建包含5个元素的vector，所有元素初始化为0
std::vector<int> vec2(5);
// 创建包含5个元素的vector，所有元素初始化为10
std::vector<int> vec3(5, 10);
// 使用初始化列表（C++11）
std::vector<int> vec4 = {1, 2, 3, 4, 5};
// 从数组创建vector
int arr[] = {1, 2, 3, 4, 5};
std::vector<int> vec5(arr, arr + 5);
// 从另一个vector创建
std::vector<int> vec6(vec5);这就像不同的方式开party：可以先空着等人来（vec1），可以先邀请5个人（vec2），可以先邀请5个特定的朋友（vec3）...
添加和删除元素
std::vector<int> vec;
// 在尾部添加元素
vec.push_back(10); // 添加元素10到尾部
// 在指定位置插入元素
vec.insert(vec.begin() + 1, 20); // 在第二个位置插入20
// 删除尾部元素
vec.pop_back();
// 删除指定位置的元素
vec.erase(vec.begin() + 1); // 删除第二个元素
// 清空所有元素
vec.clear();想象一下排队买票：
- push_back是有人来排队，自动站到队尾
- insert是有人插队到指定位置
- pop_back是最后一个人不想排了，离开了
- erase是队伍中间某个人离开了
- clear是突然下大雨，所有人都散了
访问元素
std::vector<int> vec = {10, 20, 30, 40, 50};
// 使用索引访问
int a = vec[2]; // 获取索引为2的元素（30）
// 使用at函数（带边界检查）
int b = vec.at(3); // 获取索引为3的元素（40），越界会抛出异常
// 获取第一个和最后一个元素
int first = vec.front(); // 获取第一个元素（10）
int last = vec.back(); // 获取最后一个元素（50）这就像找教室里的同学：直接叫号（索引）、点名确认（at）、找第一个和最后一个。
三、vector的容量管理
理解vector的容量管理是掌握其高效使用的关键。
size与capacity
- size：当前vector中实际元素的个数
- capacity：当前vector在不扩容的情况下最多能容纳的元素个数
std::vector<int> vec;
for(int i = 0; i < 10; i++) {
vec.push_back(i);
std::cout << "Size: " << vec.size()
<< ", Capacity: " << vec.capacity() << std::endl;
}可能的输出结果：
Size: 1, Capacity: 1
Size: 2, Capacity: 2
Size: 3, Capacity: 4
Size: 4, Capacity: 4
Size: 5, Capacity: 8
Size: 6, Capacity: 8
Size: 7, Capacity: 8
Size: 8, Capacity: 8
Size: 9, Capacity: 16
Size: 10, Capacity: 16这就像一个聚会场地：
- size是实际到场的人数
- capacity是场地能容纳的最大人数
- 当人数超过容量时，需要换一个更大的场地
扩容原理
当vector需要更多空间时：
- 分配一块更大的内存（通常是当前容量的1.5倍或2倍）
- 将现有元素复制到新内存
- 释放旧内存
- 更新内部指针
这个过程叫做重新分配(reallocation)，它是耗时的操作，因为需要复制所有元素。
优化容量管理
// 预留空间，避免频繁扩容
vec.reserve(1000); // 预分配至少能容纳1000个元素的空间
// 调整大小（会改变size）
vec.resize(100); // 调整为100个元素，如果扩大则用默认值填充
// 减少容量以适应当前大小
vec.shrink_to_fit(); // C++11引入
- reserve是提前租一个足够大的场地，避免中途换场地
- resize是主动调整聚会人数
- shrink_to_fit是在人到齐后，换一个刚好够用的小场地，节省费用
四、vector的迭代器
迭代器是访问容器元素的统一接口，就像"智能指针"。
std::vector<int> vec = {10, 20, 30, 40, 50};
// 使用迭代器遍历
for(std::vector<int>::iterator it = vec.begin(); it != vec.end(); ++it) {
std::cout << *it << " "; // 输出：10 20 30 40 50
}
// C++11引入的范围for循环（语法糖）
for(auto& element : vec) {
std::cout << element << " "; // 输出同上
}
// 反向迭代器
for(std::vector<int>::reverse_iterator rit = vec.rbegin();
rit != vec.rend(); ++rit) {
std::cout << *rit << " "; // 输出：50 40 30 20 10
}这就像参观博物馆：
- 普通迭代器是从入口到出口的参观路线
- 反向迭代器是从出口回到入口的路线
- 范围for循环就是跟着导游走，不用担心路线
五、vector的常见陷阱与优化
1. 迭代器失效问题
当vector扩容或删除元素时，迭代器可能会失效：
std::vector<int> vec = {1, 2, 3, 4, 5};
auto it = vec.begin() + 2; // 指向元素3
vec.insert(vec.begin(), 0); // 可能导致扩容
// 此时it已失效，使用it将导致未定义行为解决方法：在可能导致迭代器失效的操作后，重新获取迭代器。
2. 不必要的复制
// 低效的循环添加元素
std::vector<int> vec;
for(int i = 0; i < 10000; i++) {
vec.push_back(i); // 可能多次扩容
}
// 优化：预先分配足够空间
std::vector<int> vec2;
vec2.reserve(10000); // 提前分配空间
for(int i = 0; i < 10000; i++) {
vec2.push_back(i); // 避免扩容
}3. 返回值优化
// 避免不必要的复制
void processVector(const std::vector<int>& vec) {
// 使用const引用作为参数
}
std::vector<int> createVector() {
std::vector<int> result = {1, 2, 3};
return result; // 编译器会优化，避免不必要的复制
}六、实际应用案例
案例1：动态二维数组
// 创建10x20的二维数组
std::vector<std::vector<int>> matrix(10, std::vector<int>(20, 0));
// 访问元素
matrix[5][10] = 100;
// 动态调整行数
matrix.resize(15); // 现在是15x20案例2：高效字符串分割
std::vector<std::string> split(const std::string& str, char delimiter) {
std::vector<std::string> tokens;
std::string token;
std::istringstream tokenStream(str);
while (std::getline(tokenStream, token, delimiter)) {
tokens.push_back(token);
}
return tokens;
}案例3：自定义对象的存储
struct Student {
std::string name;
int age;
Student(const std::string& n, int a) : name(n), age(a) {}
};
std::vector<Student> students;
students.push_back(Student("小明", 18));
students.push_back(Student("小红", 17));
// C++11的emplace_back可以在容器内直接构造对象，避免复制
students.emplace_back("小刚", 19);总结
vector是C++中最常用的容器之一，它提供了数组的高效随机访问，又克服了数组大小固定的限制。通过深入理解vector的工作原理，你可以更高效地使用它，避免常见陷阱，写出更优雅高效的代码。
记住：合理使用reserve预分配空间、避免不必要的复制、注意迭代器失效问题，这些都是使用vector的关键技巧！
在下一篇博客中，我们将更深入地探讨vector的内存管理机制和更多高级用法。敬请期待！
