C++之动态数组vector

在 C++ 编程中，std::vector 是标准模板库（STL）中非常重要的容器之一。它提供了一个动态数组的功能，能够根据需要自动调整大小，同时具备高效的内存管理和丰富的操作接口。

一、什么是 std::vector？

std::vector 是 C++ STL 中的一种序列容器，它类似于传统的数组，但具有动态扩展和收缩的能力。与普通数组相比，std::vector 的大小可以在运行时动态变化，而普通数组的大小在定义时就已经确定，无法改变。std::vector 的底层实现是一个连续的内存块，这使得它在随机访问元素时非常高效，类似于数组的访问速度。

二、std::vector 的基本特性

（一）动态扩展

std::vector 的最大特点是动态扩展。当向 std::vector 中添加元素，而当前分配的内存空间不足以容纳更多元素时，std::vector 会自动分配更大的内存空间，并将原有元素复制到新的内存中。这个过程虽然涉及到内存分配和数据复制，但 std::vector 会尽量优化，通常会分配比当前需要更多的空间，以减少后续的扩展次数。

（二）随机访问

由于 std::vector 的底层是连续的内存块，因此它支持随机访问。可以通过下标（operator[] 或 at()）快速访问任意位置的元素，时间复杂度为 O(1)。这使得 std::vector 在需要频繁随机访问元素的场景中非常高效。

（三）内存管理

std::vector 会自动管理内存。当向 std::vector 中添加或删除元素时，它会自动调整内存的分配和释放。此外，std::vector 提供了一些方法来控制内存的分配策略，例如 reserve() 方法可以预先分配足够的内存，从而减少动态扩展的次数，提高性能。

三、std::vector 的基本操作

（一）定义和初始化

std::vector 可以通过多种方式定义和初始化。以下是一些常见的定义方式：

#include <vector>// 定义一个空的 vector
std::vector<int> vec1;// 使用初始化列表初始化
std::vector<int> vec2 = {1, 2, 3, 4, 5};// 使用默认值初始化
std::vector<int> vec3(10, 0); // 10个元素，初始值为0// 复制构造
std::vector<int> vec4(vec2);// 从另一个 vector 的一部分构造
std::vector<int> vec5(vec2.begin() + 1, vec2.end() - 1);

（二）添加和删除元素

std::vector 提供了多种方法来添加和删除元素：

• 添加元素
  • push_back()：在 std::vector 的末尾添加一个元素。
  • insert()：在指定位置插入一个或多个元素。

vec1.push_back(10); // 在末尾添加一个元素
vec1.insert(vec1.begin() + 2, 20); // 在索引为2的位置插入一个元素

• 删除元素
  • pop_back()：删除 std::vector 的最后一个元素。
  • erase()：删除指定位置的一个或多个元素。

vec1.pop_back(); // 删除最后一个元素
vec1.erase(vec1.begin() + 1); // 删除索引为1的元素

（三）访问元素

std::vector 提供了多种方式来访问元素：

• operator[]：通过下标访问元素，不进行边界检查。
• at()：通过下标访问元素，并进行边界检查，如果超出范围会抛出异常。

int value1 = vec1[0]; // 使用下标访问
int value2 = vec1.at(1); // 使用 at() 访问

（四）遍历

可以使用迭代器或基于范围的 for 循环来遍历 std::vector：

// 使用迭代器遍历
for (std::vector<int>::iterator it = vec1.begin(); it != vec1.end(); ++it) {std::cout << *it << " ";
}// 使用基于范围的 for 循环
for (int value : vec1) {std::cout << value << " ";
}

（五）大小和容量

std::vector 提供了一些方法来获取其大小和容量：

• size()：返回当前 std::vector 中的元素数量。
• capacity()：返回当前分配的内存容量（以元素数量为单位）。
• empty()：判断 std::vector 是否为空。
• resize()：调整 std::vector 的大小。
• reserve()：预先分配内存，以减少动态扩展的次数。

std::cout << "Size: " << vec1.size() << std::endl;
std::cout << "Capacity: " << vec1.capacity() << std::endl;
if (vec1.empty()) {std::cout << "Vector is empty" << std::endl;
}
vec1.resize(15, 0); // 调整大小为15，新元素初始化为0
vec1.reserve(20); // 预先分配20个元素的内存

四、std::vector 的应用场景

（一）动态数组

std::vector 是实现动态数组的首选容器。它可以在运行时动态调整大小，非常适合需要频繁添加或删除元素的场景。例如，在处理动态数据集合时，std::vector 可以方便地存储和管理数据。

（二）随机访问

由于 std::vector 支持随机访问，因此在需要频繁通过下标访问元素的场景中非常高效。例如，在实现算法时，经常需要通过下标访问数组中的元素，std::vector 可以很好地满足这一需求。

（三）内存管理

std::vector 提供了灵活的内存管理功能。通过 reserve() 方法可以预先分配足够的内存，从而减少动态扩展的次数，提高性能。这在处理大量数据时非常有用，可以避免频繁的内存分配和数据复制。

五、注意事项

（一）性能优化

虽然 std::vector 会自动管理内存，但在某些情况下，手动控制内存分配可以提高性能。例如，在知道数据量的情况下，可以使用 reserve() 方法预先分配足够的内存，避免多次动态扩展。

（二）内存释放

当不再需要 std::vector 时，它会自动释放分配的内存。但如果在程序运行过程中需要释放内存，可以使用 clear() 方法清空 std::vector，但需要注意的是，clear() 只会清空元素，不会释放内存。如果需要释放内存，可以使用 shrink_to_fit() 方法。

（三）异常安全

std::vector 的某些操作可能会抛出异常，例如 at() 方法在访问超出范围的元素时会抛出 std::out_of_range 异常。在使用这些方法时，需要注意异常处理。

六、总结

std::vector 是 C++ STL 中非常重要的容器之一，它结合了动态数组的灵活性和数组的高效性。通过动态扩展、随机访问和灵活的内存管理，std::vector 可以满足多种编程需求。在实际开发中，合理使用 std::vector 可以提高代码的可读性和性能。