C++ STL vector容器详解：从原理到实践

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 
              // 创建空vector
              std::vector vec1;
              // 创建包含5个元素的vector，所有元素初始化为0
              std::vector vec2(5);
              // 创建包含5个元素的vector，所有元素初始化为10
              std::vector vec3(5, 10);
              // 使用初始化列表（C++11）
              std::vector vec4 = {1, 2, 3, 4, 5};
              // 从数组创建vector
              int arr[] = {1, 2, 3, 4, 5};
              std::vector vec5(arr, arr + 5);
              // 从另一个vector创建
              std::vector 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 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 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 vec;
                            for(int i = 0; i