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C++ STL vector容器详解

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)

有关复杂度,可阅读《大O表示法》一节详细了解。

vector 容器以类模板 vector<T>( T 表示存储元素的类型)的形式定义在 <vector> 头文件中,并位于 std 命名空间中。因此,在创建该容器之前,代码中需包含如下内容:
#include <vector>
using namespace std;

注意,std 命名空间也可以在使用 vector 容器时额外注明,两种方式都可以。

创建vector容器的几种方式

创建 vector 容器的方式有很多,大致可分为以下几种。

1) 如下代码展示了如何创建存储 double 类型元素的一个 vector 容器:
std::vector<double> values;

如果程序中已经默认指定了 std 命令空间,这里可以省略 std::。

注意,这是一个空的 vector 容器,因为容器中没有元素,所以没有为其分配空间。当添加第一个元素(比如使用 push_back() 函数)时,vector 会自动分配内存。

在创建好空容器的基础上,还可以像下面这样通过调用 reserve() 成员函数来增加容器的容量:
values.reserve(20);
这样就设置了容器的内存分配,即至少可以容纳 20 个元素。注意,如果 vector 的容量在执行此语句之前,已经大于或等于 20 个元素,那么这条语句什么也不做;另外,调用 reserve() 不会影响已存储的元素,也不会生成任何元素,即 values 容器内此时仍然没有任何元素。

还需注意的是,如果调用 reserve() 来增加容器容量,之前创建好的任何迭代器(例如开始迭代器和结束迭代器)都可能会失效,这是因为,为了增加容器的容量,vector<T> 容器的元素可能已经被复制或移到了新的内存地址。所以后续再使用这些迭代器时,最好重新生成一下。


2) 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,比如:
std::vector<int> primes {2, 3, 5, 7, 11, 13, 17, 19};
这样就创建了一个含有 8 个素数的 vector 容器。

3) 在创建 vector 容器时,也可以指定元素个数:
std::vector<double> values(20);
如此,values 容器开始时就有 20 个元素,它们的默认初始值都为 0。

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<double> values(20, 1.0);
第二个参数指定了所有元素的初始值,因此这 20 个元素的值都是 1.0。

值得一提的是,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<double> values(num, value);

4) 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::vector<char>value1(5, 'c');
std::vector<char>value2(value1);
由此,value2 容器中也具有 5 个字符 'c'。在此基础上,如果不想复制其它容器中所有的元素,可以用一对迭代器来指定初始值的范围,例如:
std::vector<int>value1{1,2,3,4,5};
std::vector<int>value2(std::begin(value1),std::begin(value1)+3);
由此,value2 容器中就包含了 {1,2,3} 这 3 个元素。

vector容器包含的成员函数

相比 array 容器,vector 提供了更多了成员函数供我们使用,它们各自的功能如表 1 所示。

表 1 vector 容器的成员函数
函数成员 函数功能
begin() 返回指向容器中第一个元素的迭代器。
end() 返回指向容器最后一个元素所在位置后一个位置的迭代器,通常和 begin() 结合使用。
rbegin() 返回指向最后一个元素的迭代器。
rend() 返回指向第一个元素所在位置前一个位置的迭代器。
cbegin() 和 begin() 功能相同,只不过在其基础上,增加了 const 属性,不能用于修改元素。
cend() 和 end() 功能相同,只不过在其基础上,增加了 const 属性,不能用于修改元素。
crbegin() 和 rbegin() 功能相同,只不过在其基础上,增加了 const 属性,不能用于修改元素。
crend() 和 rend() 功能相同,只不过在其基础上,增加了 const 属性,不能用于修改元素。
size() 返回实际元素个数。
max_size() 返回元素个数的最大值。这通常是一个很大的值,一般是 232-1,所以我们很少会用到这个函数。
resize() 改变实际元素的个数。
capacity() 返回当前容量。
empty() 判断容器中是否有元素,若无元素,则返回 true;反之,返回 false。
reserve() 增加容器的容量。
shrink _to_fit() 将内存减少到等于当前元素实际所使用的大小。
at() 使用经过边界检查的索引访问元素。
front() 返回第一个元素的引用。
back() 返回最后一个元素的引用。
data() 返回指向容器中第一个元素的指针
assign() 用新元素替换原有内容。
push_back() 在序列的尾部添加一个元素。
pop_back() 移出序列尾部的元素。
insert() 在指定的位置插入一个或多个元素。
erase() 移出一个元素或一段元素。
clear() 移出所有的元素,容器大小变为 0。
swap() 交换两个容器的所有元素。
emplace() 在指定的位置直接生成一个元素。
emplace_back() 在序列尾部生成一个元素。

除此之外,C++ 11 标准库还新增加了 begin() 和 end() 这 2 个函数,和 vector 容器包含的 begin() 和 end() 成员函数不同,标准库提供的这 2 个函数的操作对象,既可以是容器,还可以是普通数组。当操作对象是容器时,它和容器包含的 begin() 和 end() 成员函数的功能完全相同;如果操作对象是普通数组,则 begin() 函数返回的是指向数组第一个元素的指针,同样 end() 返回指向数组中最后一个元素之后一个位置的指针(注意不是最后一个元素)。

如下代码演示了表 1 中部分成员函数的用法:
#include <iostream>
#include <vector>
using namespace std;
int main()
{
    //初始化一个空vector容量
    vector<char>value;
    //向value容器中的尾部依次添加 S、T、L 字符
    value.push_back('S');
    value.push_back('T');
    value.push_back('L');
    //调用 data() 成员函数输出该容器存储的所有字符。
    printf("元素个数为:%d\n", value.size());
    //使用迭代器遍历容器
    for (auto i = value.begin(); i < value.end(); i++) {
        cout << *i << " ";
    }
    cout << endl;
    //向容器开头插入字符
    value.insert(value.begin(), 'C');
    cout << "首个元素为:" << value.at(0) << endl;
    return 0;
}
输出结果为:

元素个数为:3
S T L
首个元素为:C

表 1 中这些成员函数的具体用法,后续学习用到时会具体讲解,感兴趣的读者,也可以通过查阅 STL手册做详细了解。

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