34、STL容器（vector）：vector用法、迭代器、容量操作

说实话，vector 是我在 C++ 项目里用得最多的容器，没有之一。你想想看，一个能自动扩容的动态数组，用起来跟普通数组一样快，还不用自己管内存——这谁不爱？

我记得刚入行那会儿，有个同事还在用 new[] 和 delete[] 手动管理数组，结果内存泄漏查了三天。后来我给他推荐了 vector，他拍着桌子说：怎么不早告诉我！

vector 的基本用法

vector 说白了就是一个模板类，定义在 <vector> 头文件里。它的用法非常直观：

#include <vector>
#include <iostream>

int main() {
    // 创建一个空的 vector，存放 int 类型
    std::vector<int> vec;

    // 尾部添加元素
    vec.push_back(10);
    vec.push_back(20);
    vec.push_back(30);

    // 像普通数组一样访问
    std::cout << vec[0] << std::endl;  // 输出 10
    std::cout << vec.at(1) << std::endl; // 输出 20

    // 遍历
    for (size_t i = 0; i < vec.size(); ++i) {
        std::cout << vec[i] << " ";
    }
    std::cout << std::endl;

    return 0;
}

这里有个小细节：vec[2] 和 vec.at(2) 都能访问元素，但 at() 会做边界检查，越界时抛出异常。我个人习惯在调试阶段用 at()，上线后换成 []——毕竟性能差那么一点点。

迭代器：遍历的利器

迭代器是什么？你可以把它想象成一个「智能指针」，专门用来遍历容器里的元素。vector 的迭代器是随机访问迭代器，支持 ++、--、+n、-n 等操作。

std::vector<int> vec = {1, 2, 3, 4, 5};

// 正向迭代器
for (auto it = vec.begin(); it != vec.end(); ++it) {
    std::cout << *it << " ";  // 输出 1 2 3 4 5
}

// 反向迭代器
for (auto it = vec.rbegin(); it != vec.rend(); ++it) {
    std::cout << *it << " ";  // 输出 5 4 3 2 1
}

// 常量迭代器（只读）
for (auto it = vec.cbegin(); it != vec.cend(); ++it) {
    // *it = 10;  // 编译错误！不能修改
    std::cout << *it << " ";
}

容量操作：别让 vector 频繁扩容

vector 的底层是一块连续内存。当元素数量超过当前容量时，它会重新申请一块更大的内存，把旧元素搬过去，再释放旧内存。这个过程叫「扩容」。

扩容很贵！我在项目中遇到过一个问题：循环里不断 push_back，结果 vector 反复扩容，性能直接崩了。后来加了一行 reserve，速度提升了 10 倍。

来看几个关键的容量操作：

方法	作用	时间复杂度
size()	返回当前元素个数	O(1)
capacity()	返回当前容量（最多能存多少元素而不扩容）	O(1)
reserve(n)	预留至少 n 个元素的空间	O(n)
resize(n)	改变元素个数为 n，多出来的用默认值填充	O(n)
shrink_to_fit()	请求释放多余容量（C++11 起）	O(n)
empty()	判断是否为空	O(1)

std::vector<int> vec;
std::cout << "size: " << vec.size() << ", capacity: " << vec.capacity() << std::endl;
// 输出: size: 0, capacity: 0

// 预留 100 个元素的空间
vec.reserve(100);
std::cout << "capacity: " << vec.capacity() << std::endl;
// 输出: capacity: 100

// 添加 50 个元素
for (int i = 0; i < 50; ++i) {
    vec.push_back(i);
}
std::cout << "size: " << vec.size() << ", capacity: " << vec.capacity() << std::endl;
// 输出: size: 50, capacity: 100（没有扩容！）

// 缩小到实际大小
vec.shrink_to_fit();
std::cout << "capacity: " << vec.capacity() << std::endl;
// 输出: capacity: 50（可能略大于 50，取决于实现）

vector 扩容机制详解

为什么 vector 要按倍数扩容？我简单解释一下：如果每次只多申请一个元素的空间，那插入 n 个元素的时间复杂度是 O(n²)。而按 1.5 倍或 2 倍扩容，均摊下来每个插入操作是 O(1)。

不同的编译器实现不一样：

• GCC（libstdc++）：扩容因子是 2
• Clang（libc++）：扩容因子是 2
• MSVC：扩容因子是 1.5

嗯，这里要注意：扩容因子不是越大越好。2 倍扩容虽然均摊性能好，但内存浪费也大。1.5 倍扩容更节省内存，但扩容次数会多一些。我个人觉得不用纠结这个，除非你在做嵌入式或者内存极度受限的场景。

知识体系总览

下面这张图帮你理清 vector 的核心知识点：

实用技巧与避坑指南

最后分享几个我这些年积累的经验：

1. 提前预留空间：如果你知道大概要存多少元素，先用 reserve 把空间申请好。我在写网络消息处理模块时，预估每条消息最多 1024 字节，直接 reserve(1024)，性能提升很明显。
2. 迭代器失效：vector 在扩容后，所有迭代器、指针、引用都会失效。我曾经在循环里一边 push_back 一边用迭代器遍历，结果程序崩溃了。记住：插入或删除操作后，之前的迭代器就别用了。
3. 用 emplace_back 代替 push_back：C++11 引入了 emplace_back，它直接在 vector 内部构造对象，省去了临时对象的拷贝。对于复杂类型，能快不少。
4. shrink_to_fit 不是强制性的：它只是向系统「请求」释放多余内存，系统不一定会照做。如果你真的需要严格控制内存，不如重新构造一个 vector 然后 swap。

// 强制释放多余内存的经典写法
std::vector<int>(vec).swap(vec);
// 或者 C++11 之后
vec.shrink_to_fit();

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