C++中vector的使用

向量std::vector是一种对象实体，能够容纳许多各种类型相同的元素，包括用户自定义的类，因此又被称为序列容器。与string相同，vector同属于STL(Standard Template Library)中的一种自定义的数据类型，可以广义上认为是数组的增强版，相当于一个动态数组。

在使用它时，需要包含头文件vector: #include <vector>

vector是一个类模板，不是一种数据类型：

template<class T, class Alloc = allocator<T> > class vector;

vector可以存放任何类型的对象(但必须是同一类对象)。vector对象可以在运行时高效地添加元素。vector中元素是连续存储的，所以除了能够通过迭代器访问外，还可以通过常规的指针偏移量访问元素。换句话说，可以将指向vector元素的指针传入以指向数组元素的指针作为参数的函数。

vector会在需要时自动调整所占内存的大小。与对应的静态数组相比，vector 所占的内存通常要更多，因为它还分配了额外的内存以应对将来可能的扩张。于是，vector 就不必在每次插入元素时都重新分配一次内存了，除非这块预留的内存用尽。已分配内存的总大小可以通过 capacity() 函数查询。所占的额外的内存可以通过调用 shrink_to_fit()(c++11) 返还给系统。

从性能方面考虑，内存重分配操作的代价通常很大。如果事先知道元素个数，可以使用 reserve() 函数消除重新分配操作。

vector值初始化：

(1)、如果没有指定元素初始化，标准库自行提供一个初始化值进行初始化；

(2)、如果保存的是含有构造函数的类类型的元素，标准库使用该类型的构造函数初始化；

(3)、如果保存的是没有构造函数的类类型的元素，标准库产生一个带初始值的对象，使用这个对象进行值初始化。

vector容器内存放的所有对象都是经过初始化的。如果没有指定存储对象的初始值，那么对于内置类型将用0初始化，对于类类型将调用其默认构造函数进行初始化(如果有其它构造函数而没有默认构造函数，那么此时必须提供元素初始值才能放入容器中)。

一个容器就是一些特定类型对象的集合。顺序容器(sequential container)为程序员提供了控制元素存储和访问顺序的能力。这种顺序不依赖于元素的值，而是与元素加入容器时的位置相对应。

标准库中的顺序容器包括：

(1)、vector：可变大小数组。支持快速随机访问。在尾部之外的位置插入或删除元素可能很慢。

(2)、deque：双端队列。支持快速随机访问。在头尾位置插入/删除速度很快。

(3)、list：双向链表。只支持双向顺序访问。在list中任何位置进行插入/删除操作速度都很快。

(4)、forward_list：单向链表。只支持单向顺序访问。在链表任何位置进行插入/删除操作速度都很快。

(5)、array：固定大小数组。支持快速随机访问。不能添加或删除元素。

(6)、string：与vector相似的容器，但专门用于保存字符。随机访问快。在尾部插入/删除速度快。

除了固定大小的array外，其它容器都提供高效、灵活的内存管理。我们可以添加和删除元素，扩张和收缩容器的大小。容器保存元素的策略对容器操作的效率有着固定的，有时是重大的影响。在某些情况下，存储策略还会影响特定容器是否支持特定操作。

例如，string和vector将元素保存在连续的内存空间中。由于元素是连续存储的，由元素的下标来计算其地址是非常快速的。但是，在这两种容器的中间位置添加或删除元素就会非常耗时：在一次插入或删除操作后，需要移动插入/删除位置之后的所有元素，来保持连续存储。而且，添加一个元素有时可能还需要分配额外的存储空间。在这种情况下，每个元素都必须移动到新的存储空间中。

list和forward_list两个容器的设计目的是令容器任何位置的添加和删除操作都很快速。作为代价，这两个容器不支持元素的随机访问：为了访问一个元素，我们只能遍历整个容器。而且，与vector、deque和array相比，这两个容器的额外内存开销也很大。

deque是一个更为复杂的数据结构。与string和vector类似，deque支持快速的随机访问。与string和vector一样，在deque的中间位置添加或删除元素的代价(可能)很高。但是，在deque的两端添加或删除元素都是很快的，与list或forward_list添加删除元素的速度相当。

forward_list和array是新C++标准增加的类型。与内置数组相比，array是一个种更安全、更容易使用的数组类型。与内置数组类似，array对象的大小是固定的。因此，array不支持添加和删除元素以及改变容器大小的操作。forward_list的设计目标是达到与最好的手写的单向链表数据结构相当的性能。因此，forward_list没有size操作，因为保存或计算其大小就会比手写链表多出额外的开销。对其他容器而言，size保证是一个快速的常量时间的操作。

通常，使用vector是最好的选择，除法你有很好的理由选择其他容器。

以下是一些选择容器的基本原则：

(1)、除法你有很好的理由选择其他容器，否则应该使用vector；

(2)、如果你的程序有很多小的元素，且空间的额外开销很重要，则不要使用list或forward_list；

(3)、如果程序要求随机访问元素，应使用vector或deque；

(4)、如果程序要求在容器的中间插入或删除元素，应使用list或forward_list；

(5)、如果程序需要在头尾位置插入或删除元素，但不会在中间位置进行插入或删除操作，则使用deque；

(6)、如果程序只有在读取输入时才需要在容器中间位置插入元素，随后需要随机访问元素，则：首先，确定是否真的需要在容器中间位置添加元素。当处理输入数据时，通常可以很容器地向vector追加数据，然后再调用标准库的sort函数来重排容器中的元素，从而避免在中间位置添加元素。如果必须在中间位置插入元素，考虑在输入阶段使用list，一旦输入完成，将list中的内容拷贝到一个vector中。

如果你不确定应该使用哪种容器，那么可以在程序中只使用vector和list公共的操作：使用迭代器，不使用下标操作，避免随机访问。这样，在必要时选择使用vector或list都很方便。

一般来说，每个容器都定义在一个头文件中，文件名与类型名相同。即，deque定义在头文件deque中，list定义在头文件list中，以此类推。容器均定义为模板类。

顺序容器几乎可以保存任意类型的元素。特别是，我们可以定义一个容器，其元素的类型是另一个容器。这种容器的定义与任何其他容器类型完全一样：在尖括号中指定元素类型(此种情况下，是另一种容器类型)。

下面是测试代码vector.cpp：

#include <vector>
#include <iostream>
#include <assert.h>#include "vector.hpp"int test_vector_init()
{std::vector<int> a; // 声明一个int型向量a,size为0std::vector<int> b(10); // 声明一个初始size为10的向量std::vector<int> c(10, 1); // 声明一个初始size为10且初始值都为1的向量std::vector<int> d(b); // 声明并用向量b初始化向量dstd::vector<int> e(c.begin(), c.begin() + 3); // 将c向量中从第0个到第2个(共3个)作为向量e的初始值,size为3int n[] = { 1, 2, 3, 4, 5 };std::vector<int> f(n, n + 5); // 将数组n的前5个元素作为向量f的初值,size为5std::vector<int> g(&n[1], &n[4]); // 将n[1] - n[4]范围内的元素作为向量g的初值,size为3std::vector<std::string> v(5, "hello");std::vector<std::string> v2(v.begin(), v.end());assert(v == v2);assert(v.begin() + v.size() == v.end());assert(v.end() - v.size() == v.begin());std::vector<int> array{ 9, 7, 5, 3, 1 };std::cout << "array size: "<< array.size() << std::endl; // 5return 0;
}int test_vector_access()
{int n[10];for (int i = 0; i < 10; i++) {n[i] = i;}std::vector<int> a(n, n + 10);// 对其中部分元素进行输入std::cin >> a[2];std::cin >> a[5];std::cin >> a[6];// 输出for (int i = 0; i < a.size(); i++) {std::cout << a[i] << " ";}std::cout << std::endl;// 使用遍历器(又称迭代器)进行输出// vector类的迭代器除了支持通用的前缀自增运算符外，还支持算术运算：it + n、it - n、it2 - it1std::vector<int>::iterator t;for (t = a.begin(); t != a.end(); t++) {std::cout << *t << " ";}std::cout << std::endl;for (std::vector<int>::const_iterator p = a.begin(); p != a.end(); p++) {std::cout << *p << " ";}std::cout << std::endl;size_t i = 0;int* x = a.data(); //返回指向内存中数组第一个元素的指针*x = -111;std::cout << "a[0]: " << a[0] << std::endl; // -111return 0;
}int test_vector_operation()
{int n[10], m[15];for (int i = 0; i < 10; i++) {n[i] = i;m[i] = i + 20;}std::vector<int> a(n, n + 10);std::vector<int> b(m, m + 15);std::vector<int> x;x = a; // 赋值std::cout << "x size: "<<a.size() << std::endl; // 获取向量中的元素个数, 10std::cout << "x capacity: " << x.capacity() << std::endl; // 返回当前存储空间能够容纳的元素数，容器x能够存储的元素个数，10 (x.capacity() >= x.size())std::cout << "x max size: " << x.max_size() << std::endl; // 容器x能容纳的最大元素个数, 4611686018427387903x.reserve(15); // 预留存储空间，确保x.capacity() >= 15std::cout << "x capacity after reserve: " << x.capacity() << std::endl; // 15x.shrink_to_fit();x.resize(5); // 改变容器中可存储元素的个数,确保返回后，有x.size() == 5, 如果之前x.size() < 5, 那么用默认值补全std::cout << "x size after resize: " << x.size() << std::endl; // 5std::vector<int>::reference ref1 = b.front(); // 返回容器中第一个元素的引用(容器必须非空), 20std::vector<int>::reference ref2 = x.back(); // 返回容器中最后一个元素的引用(容器必须非空), 4int value = b[5]; // 返回下标为5的元素的引用(下标从0开始，如果下标不正确，则属于未定义行为)， 25std::vector<int>::reference ref3 = b.at(5); // 返回下标为pos的元素的引用；如果下标不正确，则抛出异常, 25x.push_back(-100); // 将元素添加到容器末尾,向容器末尾添加一个元素value = x[x.size() - 1]; // -100std::cout << "x size after push_back: " << x.size() << std::endl; // 6x.pop_back(); // 删除最后一个元素, 弹出容器中最后一个元素（容器必须非空）value = x[x.size() - 1]; // 4std::cout << "x size after pop_back: " << x.size() << std::endl; // 5x.assign(10, -1); // 赋值，用指定元素序列替换容器内所有元素std::cout << "x size after assign: " << x.size() << std::endl; // 10std::cout << "x[0]: " << x[0] << std::endl; // -1std::cout << "a is empty: "<< a.empty() << std::endl; // 判断向量是否为空, 0std::cout << "a size: " << a.size() << std::endl; // 获取向量中的元素个数, 10a.clear(); // 删除全部内容, 清空向量中的元素,相当于调用erase(begin(), end())std::cout << "size after clear: " << a.size() << std::endl; // 0std::vector<int> c;c = b; // 将b向量复制到c向量中std::cout << "a == b ?: " << (a == b) << std::endl; // == 、 != 、>、 >= 、<、 <= , 采用字典排序策略比较,a向量与b向量比较, 相等则返回1, 0std::cout << "c == b ?: " << (c == b) << std::endl; // == 、 != 、>、 >= 、<、 <= , 采用字典排序策略比较,c向量与b向量比较, 相等则返回1, 1// 插入和删除操作将发生元素的移动（为了保持连续存储的性质），所以之前的迭代器可能失效// 任何改变容器大小的操作都可能造成以前的迭代器失效std::cout << "b size: " << b.size() << std::endl; // 15b.insert(b.begin(), -1); // 将-1插入到向量b的起始位置前std::cout << "b[0]: " << b[0] << std::endl; // -1std::cout << "b size: " << b.size() << std::endl; // 16b.insert(b.begin() + 5, 3, -1); //将-1分别插入到向量元素位置的5-8处(共3个元素)for (int i = 0; i < b.size(); i++) {std::cout << b[i] << "  "; // -1 20 21 22 23 -1 -1 -1 24 25 ...}std::cout<<std::endl;std::vector<int> d(5, 1);std::vector<int> e(10);e.insert(e.begin(), d.begin(), d.end()); //将d.begin(), d.end()之间的全部元素插入到e.begin()前for (int i = 0; i < e.size(); i++) {std::cout << e[i] << "  "; // 1 1 1 1 1 0 0 0 ...}std::cout << std::endl;std::cout << "b size: " << b.size() << std::endl; // 19b.erase(b.begin()); // 将起始位置的元素删除std::cout << "b size: " << b.size() << std::endl; // 18b.erase(b.begin(), b.begin() + 3); // 将(b.begin(), b.begin()+3)之间的元素删除std::cout << "b size: " << b.size() << std::endl; // 15b.swap(c); // 交换vector的内容, a向量与c向量进行交换for (int i = 0; i < b.size(); i++) {std::cout << b[i] << "  ";}std::cout << std::endl;for (int i = 0; i < c.size(); i++) {std::cout << c[i] << "  ";}std::cout << std::endl;return 0;
}int test_vector_two_dimension()
{// reference: http://www.cnblogs.com/mr-wid/archive/2013/01/22/2871105.htmlstd::vector< std::vector<int> > b(10, std::vector<int>(5, -1));// 对部分数据进行输入std::cin >> b[1][1];std::cin >> b[2][2];std::cin >> b[3][3];// 全部输出for (int m = 0; m < b.size(); m++) { //b.size()获取行向量的大小for (int n = 0; n < b[m].size(); n++) { //获取向量中具体每个向量的大小std::cout << b[m][n] << "  ";}std::cout << std::endl;}return 0;
}

主要参考文献：

1. https://software.intel.com/zh-cn/blogs/2011/08/10/c-vector

2. http://zh.cppreference.com/w/cpp/container/vector

3. http://www.cplusplus.com/reference/vector/vector/

GitHub：https://github.com/fengbingchun/Messy_Test