C++ vector 容器浅析

C++ `vector` 容器浅析（2025年中文讲解）

vector 是 C++ 标准模板库（STL）中的动态数组容器，位于 <vector> 头文件中，用于存储和操作元素序列。相比 C 的静态数组，vector 提供动态大小调整、内存管理和丰富的方法，广泛应用于算法、数据处理和跨平台开发（如 KMP）。2025年，C++20/23 增强了 vector 的性能和安全性（如 std::span 集成），在高性能计算和嵌入式系统中应用广泛。本教程浅析 vector 的核心功能、语法和实践，基于 C++ 标准文档、CSDN 和 C++ 社区，适合初学者和开发者。建议用 C++ 编译器（如 GCC、Clang）或在线 IDE（如 Compiler Explorer）练习。

一、`vector` 容器概览（必知）

定义：std::vector 是一个模板类，存储连续内存中的元素，支持动态扩容和随机访问。
核心特点：
动态大小：自动调整容量，添加/删除元素无需手动管理。
随机访问：通过索引（如 v[i]）快速访问，时间复杂度 O(1)。
类型安全：结合模板支持任意类型（需满足可拷贝/可移动）。
用途：
存储动态数据（如用户输入、算法结果）。
替代 C 数组，提供更安全和便捷的操作。
在高性能场景（如游戏开发）中管理数据序列。
2025年趋势：
C++23 优化 vector 的内存分配和移动语义。
在 KMP（Kotlin Multiplatform）中，C++ vector 用于 native 模块数据处理。
结合 std::span（C++20）提供更安全的数组视图。

二、核心语法与用法（必会）

以下按功能讲解 vector 的核心操作，包含示例代码，可用 C++11 或更高版本编译运行。

1. 基本操作

包含头文件和命名空间：

  #include <vector>
  #include <iostream>
  using namespace std;

声明和初始化：

  int main() {
      vector<int> v1; // 空 vector
      vector<int> v2 = {1, 2, 3}; // 初始化列表
      vector<int> v3(5, 10); // 5 个元素，每个为 10
      vector<int> v4(v2); // 拷贝构造

      cout << "v2: ";
      for (int x : v2) cout << x << " "; // 输出：1 2 3
      cout << "\nv3: ";
      for (int x : v3) cout << x << " "; // 输出：10 10 10 10 10
      return 0;
  }

访问元素：
索引：v[i]（不检查边界，快速但不安全）。
at()：v.at(i)（检查边界，抛出 out_of_range）。
front()/back()：访问首/尾元素。

  int main() {
      vector<int> v = {1, 2, 3};
      cout << v[0] << endl; // 输出：1
      cout << v.at(1) << endl; // 输出：2
      cout << v.front() << endl; // 输出：1
      cout << v.back() << endl; // 输出：3
      // v.at(10); // 抛出 out_of_range
      return 0;
  }

2. 添加和删除元素

添加元素：
push_back()：尾部添加，O(1)（均摊）。
emplace_back()：尾部构造（C++11，效率更高）。
insert()：指定位置插入。

  int main() {
      vector<int> v;
      v.push_back(1); // 添加 1
      v.emplace_back(2); // 构造并添加 2
      v.insert(v.begin() + 1, 3); // 在索引 1 插入 3
      for (int x : v) cout << x << " "; // 输出：1 3 2
      return 0;
  }

删除元素：
pop_back()：删除尾部，O(1)。
erase()：删除指定位置或范围。
clear()：清空所有元素。

  int main() {
      vector<int> v = {1, 2, 3, 4};
      v.pop_back(); // 删除 4
      v.erase(v.begin()); // 删除 1
      for (int x : v) cout << x << " "; // 输出：2 3
      v.clear(); // 清空
      cout << "\nSize: " << v.size(); // 输出：0
      return 0;
  }

3. 大小和容量

size()：当前元素数量，O(1)。
capacity()：当前分配的内存容量。
resize(n)：调整大小，填充默认值或截断。
reserve(n)：预分配容量，避免频繁扩容。

  int main() {
      vector<int> v = {1, 2, 3};
      cout << "Size: " << v.size() << endl; // 输出：3
      cout << "Capacity: " << v.capacity() << endl; // 输出：>=3
      v.reserve(10); // 预分配 10 个元素空间
      cout << "New Capacity: " << v.capacity() << endl; // 输出：>=10
      v.resize(5, 0); // 调整为 5 个元素，填充 0
      for (int x : v) cout << x << " "; // 输出：1 2 3 0 0
      return 0;
  }

4. 迭代器

迭代器：用于遍历或操作元素。
begin()/end()：起始/结束迭代器。
rbegin()/rend()：反向迭代器。

  int main() {
      vector<int> v = {1, 2, 3};
      for (auto it = v.begin(); it != v.end(); ++it) {
          cout << *it << " "; // 输出：1 2 3
      }
      cout << endl;
      for (auto it = v.rbegin(); it != v.rend(); ++it) {
          cout << *it << " "; // 输出：3 2 1
      }
      return 0;
  }

三、实践示例（综合应用）

动态数组管理：

#include <vector>
#include <iostream>
using namespace std;

int main() {
    vector<int> v;
    // 添加用户输入
    cout << "Enter numbers (0 to stop): ";
    int num;
    while (cin >> num && num != 0) {
        v.push_back(num);
    }
    // 打印和求和
    int sum = 0;
    for (int x : v) {
        sum += x;
        cout << x << " ";
    }
    cout << "\nSum: " << sum << endl;
    // 删除偶数
    for (auto it = v.begin(); it != v.end();) {
        if (*it % 2 == 0) {
            it = v.erase(it);
        } else {
            ++it;
        }
    }
    cout << "After removing evens: ";
    for (int x : v) cout << x << " "; // 输出奇数
    return 0;
}

功能：用户输入数字（0 结束），计算总和并删除偶数。

KMP 集成（C++ Native 模块）：

#include <vector>
#include <string>
#include <algorithm>

extern "C" {
    // 假设与 Kotlin 互操作
    void processStrings(const char** input, int size, char** output) {
        std::vector<std::string> v(input, input + size);
        // 排序
        std::sort(v.begin(), v.end());
        // 转换为 C 风格字符串
        for (int i = 0; i < size; ++i) {
            output[i] = strdup(v[i].c_str());
        }
    }
}

功能：C++ vector 处理字符串数组，排序后返回，供 Kotlin 模块调用。

四、注意事项与最佳实践

内存管理：

vector 自动管理内存，但扩容可能导致 O(n) 开销。
用 reserve(n) 预分配容量，减少重分配：
cpp vector<int> v; v.reserve(100); // 预分配 100 个元素空间

边界检查：

优先用 at() 代替 [] 确保安全：
cpp try { v.at(10); } catch (const out_of_range& e) { cout << "Out of range"; }

性能优化：

用 emplace_back() 代替 push_back()，减少拷贝：
cpp v.emplace_back(42); // 直接构造
避免频繁 insert/erase 中间元素（O(n)），考虑 deque。

C++20/23 特性：

用 std::span 提供 vector 的安全视图：
cpp #include <span> void printSpan(std::span<int> s) { for (int x : s) cout << x << " "; }

2025年趋势：

C++23：vector 支持更优化的移动语义。
KMP：vector 用于 native 层数据处理，与 Kotlin 互操作。
AI 辅助：Clangd 和 Copilot 可生成 vector 代码。

五、学习建议

练习：用 GCC 实践 vector 的添加、删除和遍历，写排序或过滤程序。
资源：
C++ 文档：https://en.cppreference.com/w/cpp/container/vector
CSDN：搜索“C++ vector”。
B站：C++ 教程（如“尚硅谷 C++”）。
时间：2-3 天掌握基本操作，1 周熟悉高级用法。
实践：实现动态数组管理或算法（如排序、查找）。

六、总结

C++ vector必知动态数组、随机访问和内存管理，必会初始化、添加/删除元素和迭代器操作。2025年，vector 仍是 C++ 核心容器，结合 C++20/23 特性更高效，适合高性能和 KMP 开发。相比 C 数组，vector 安全且灵活。

如果需要具体场景代码（如算法或 KMP 示例）或有问题，告诉我，我可以提供更详细解答！