C++ STL容器總結之vector（超詳細版）

一、vector簡介

vector的中文翻譯爲向量，是一種C++ STL中的序列容器。它的是存儲方式和C++語言本身提供的數組一樣都是順序存儲，因此vector的操作和數組十分相似。但是和數組不一樣的是，數組的存儲空間是靜態的，一旦配置了就不能改變，而vector的存儲空間是動態的，隨着元素的加入，它的內部機制會自動擴充空間以容納新元素，因此也被稱爲可變長數組。

二、vector存儲機制

vector的動態空間實現如下圖所示，

爲了減少空間配置的時間代價，通常vector配置的空間會比我們標註的需求量更大一些，於是vector總的存儲空間就如上圖所示分成了兩部分，其中工作空間是按我們標註的需求配置的，而備用空間就是額外配置的那一部分空間。

當需要擴充的新的空間時，vector會優先使用備用空間。例如我們現在要在末尾插入6，它會將 $finish$ 迭代器指向的空間用於存儲6，最後再調整 $finish$ 迭代器的位置。
當備用空間不足以存放要插入的元素時，vector會在另外較大的空閒空間中配置一塊大小爲原來兩倍的新空間（由於不能保證原空間之後有足有的空閒空間，所以並不是直接在原空間後面接續），然後將原空間中的數據按順序遷移到新空間，最後釋放原來的存儲空間。這一過程可以簡單記憶爲重新配置、移動數據、釋放原空間。

下面是以“在備用空間用完的情況下插入新元素3”爲例，用圖片形式描述前後的存儲空間變化。

由於以上過程對使用者而言都是透明的，所以需要非常注意的一點是，一旦vector的空間重新配置，所有指向原vector的迭代器都會失效！

三、vector創建和初始化

初始化比較簡單，我們可以根據自己的使用需求來相應的初始化方法。

//vector頭文件
#include <vector>
//創建一個空的vector
vector<int> vec1;
//創建一個有n個元素的vector，初始值都爲0
vector<int> vec2(n);
//創建一個有n個元素的vector，並將它們值都初始化爲x
vector<int> vec3(n, x);
//用vec3來初始化vec4，它們大小和元素的值都相同
vector<int> vec4(vec3);

四、vector基本操作詳解

很多人不明白爲什麼要了解容器本身實現的原理，覺得學會怎麼用就夠了。其實，學了容器的實現原理會對容器操作會有更加深刻的理解，同時也會對算法思想有或多或少的領悟。

接下來，我們結合這張底層存儲示意圖仔細分析vector的基本操作。

• 迭代器
  這裏簡單介紹下面將出現的兩種比較陌生的迭代器：
  • $reverse\_iterator$，稱爲反向迭代器，它的遞增方向和我們常用的 $iterator$ 相反，例如 $rit++$表示指向的位置往左移。
  • $const\_iterator$，它不能改變所指向的元素的值，但是可以再指向其他元素，和const關鍵詞標註的 $iterator$ 剛好相反。

//獲取第一個元素的迭代器，也就是圖中的start
vec.begin();

//獲取最後一個下個位置的迭代器，即圖中的finish
vec.end();

//返回vector<T>::reverse_iterator類型迭代器，指向finish-1
vec.rbegin();

//返回vector<T>::reverse_iterator類型迭代器，指向start的前一個位置
vec.rend();

//c++11，返回vector<T>::const_iterator類型迭代器，位置同圖中start
vec.cbegin();

//c++11，返回vector<T>::const_iterator類型迭代器，位置同圖中finish
vec.cend();

• 容量

//獲取當前容量大小
vec.size();

//獲取包括備用空間在內的總容量大小
vec.capacity();

//最大容量，即最多可以存儲多少個當前類型元素
vec.max_size();

//判斷vector是否爲空，即判斷start == finish
vec.empty();

//重新設置vector的容量，大小爲n
vec.resize(n);

• 元素訪問
  因爲vector也是順序存儲，所以它進行元素的隨機訪問的時間複雜度也爲 $O(1)$

//像數組一樣用索引進行隨機訪問，例如vec[0]
operator []

//作用同上，增加異常處理，越界拋出out of range
vec.at(index);

//返回一個元素，即迭代器start指向的元素
vec.front();

//返回最後一個元素，即迭代器finish-1指向的元素
vec.back();

• 修改操作操作
  由於是順序存儲結構，隨機插入或隨機刪除都會引起元素的移動（對末尾元素操作除外），因此它們的時間複雜度都是 $O(n)$。下圖是刪除元素的底層實現示意，可以用於幫助我們的理解，從圖中也可以看出刪除操作不會引起總空間的變化。
  

//元素的賦值值操作（類似於初始化）
//將vec賦值爲n個x
vec.assign(n, x);
//將[first, last)範圍內的元素賦值給vec
vec.assign(first, last);
//傳入參數爲數組指針，將數組[0, n)中的元素賦值給vec
vec.assign(array, array + n);

//將新元素x插入到finish所在的位置，並將迭代器finish後移，時間複雜度爲O(1)
vec.push_back(x);

//清除位於finish-1的元素，時間複雜度爲O(1)
vec.pop_back();

//時間複雜度爲O(n)，position表示插入位置的迭代器
//在position插入新元素，其值爲x
vec.insert(position, x);
//在position插入n個新元素，它們的值都爲x
vec.insert(position, n, x);

//時間複雜度爲O(n)，下列參數均爲迭代器
//清除某個特定位置的元素
vec.erase(position);
//清除[first, last)中的所有元素
vec.erase(first, last);

//交換vec和vec2中的所有元素，
vec.swap(vec2);

//清除所有的元素，事實上調用了erase(begin(), end())
vec.clear();

• 遍歷操作

//順序遍歷
//最常用的方式
for (int i = 0; i < vec.size(); i++) cout << vec[i] << endl;
//利用迭代器
vector<int>::iterator it;
for (it = vec.begin(); it != vec.end(); i++) cout << *it << endl;
//c++11
for(auto x : vec) cout << x << endl;

//逆序遍歷
//常用方式
for (int i = size() - 1; i >= 0; i--) cout << vec[i] << endl;
//利用反向迭代器
vector<int>::reverse_iterator rit;
for (rit = vec.rbegin(); rit != vec.rend(); rit++) cout << *rit << endl;

• 查找操作
  這個操作主要是利用STL提供的 $find$ 函數。

#include <algorithm>
//需要調用find函數，在[first, last)中查找x，返回的是迭代器
vector<int>::iterator it = find(vec.begin(), vec.end(), x);
//如果找到則輸出YES，否則輸出NO
if (it != vec.end()) cout << "YES" << endl;
else cout << "NO" << endl;

• 排序和翻轉
  主要是調用STL提供的 $sort$ 和 $reverse$ 函數。

#include <algorithm>
//升序排序(默認)
sort(vec.begin(), vec.end());
sort(vec.begin(), vec.end(), less<int>());
//降序排序
sort(vec.begin(), vec.end(), greater<int>());

//元素翻轉
reverse(vec.begin(), vec.end());

五、參考資料

1. C++官方的vector文檔
2. 《STL源碼剖析》
3. 個人混亂的實驗代碼

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