C++ STL--vector容器

1、vector容器简介

Vector 是C++标准程序库中的一个类，可视为会自动扩展容量的数组，以顺序(Sequential)的方式维护变量集合。vector的特色有支持随机存取，在集合尾端增删元素很快，但是在集合中间增删元素比较费时。vector是C++标准程序库中的众多容器（container）之一。 vector以模板(泛型)方式实现，可以保存任意类型的变量，包括用户自定义的资料类型，例如：它可以是放置整数（int）类型的 vector、也可以是放置字符串（string）类型的 vector、或者放置用户自定类别（user-defined class）的 vector。vector 常被称为向量容器，因为该容器擅长在尾部插入或删除元素，在常量时间内就可以完成，时间复杂度为O(1)；而对于在容器头部或者中部插入或删除元素，则花费时间要长一些（移动元素需要耗费时间），时间复杂度为线性阶O(n)。

2、vector容器原理

STL 众多容器中，vector 是最常用的容器之一，其底层所采用的数据结构非常简单，就只是一段连续的线性内存空间。

（1）vector 存储方式

vector使用 3 个迭代器（可以理解成指针）来表示的：

//_Alloc 表示内存分配器，此参数几乎不需要我们关心
template <class _Ty, class _Alloc = allocator<_Ty>>
class vector{
    ...
protected:
    pointer _Myfirst;
    pointer _Mylast;
    pointer _Myend;
};

其中，_Myfirst 指向的是 vector 容器对象的起始字节位置；_Mylast 指向当前最后一个元素的末尾字节；_myend 指向整个 vector 容器所占用内存空间的末尾字节。具体如下图所示：

如上图所示，通过这 3 个迭代器，就可以表示出一个已容纳 2 个元素，容量为 5 的 vector 容器。
在此基础上，将 3 个迭代器两两结合，还可以表达不同的含义，例如：

• _Myfirst 和 _Mylast 可以用来表示 vector 容器中目前已被使用的内存空间；
• _Mylast 和 _Myend 可以用来表示 vector 容器目前空闲的内存空间；
• _Myfirst 和 _Myend 可以用表示 vector 容器的容量。
• 对于空的 vector 容器，由于没有任何元素的空间分配，因此 _Myfirst、_Mylast 和 _Myend 均为 null。

通过灵活运用这 3 个迭代器，vector 容器可以轻松的实现诸如首尾标识、大小、容器、空容器判断等几乎所有的功能，比如：

template <class _Ty, class _Alloc = allocator<_Ty>>
class vector{
public：
    iterator begin() {return _Myfirst;}
    iterator end() {return _Mylast;}
    size_type size() const {return size_type(end() - begin());}
    size_type capacity() const {return size_type(_Myend - begin());}
    bool empty() const {return begin() == end();}
    reference operator[] (size_type n) {return *(begin() + n);}
    reference front() { return *begin();}
    reference back() {return *(end()-1);}
    ...
};

（2）vector扩容原理

当 vector 的大小和容量相等（size==capacity）也就是满载时，如果再向其添加元素，那么 vector 就需要扩容。vector 容器扩容的过程需要经历以下 3 步：

• 完全弃用现有的内存空间，重新申请更大的内存空间；
• 将旧内存空间中的数据，按原有顺序移动到新的内存空间中；
• 最后将旧的内存空间释放。

扩容之后注意点：

• vector 容器在进行扩容后（内存重新分配），与其相关的指针、引用以及迭代器可能会失效的原因。
• vector扩容比较耗时，由于需要重新分配内存并且需要复制数据。
• vector每次扩容，所扩展的大小可能会比当前使用的大小大；

3、vector容器函数接口

（1）访问元素的方法

• vec[i] - 访问索引值为 i 的元素引用。 (索引值从零起算，故第一个元素是vec[0]。)
• vec.at(i) - 访问索引值为 i 的元素的引用，以 at() 访问会做数组边界检查，如果访问越界将会抛出一个例外，这是与operator[]的唯一差异。
• vec.front() - 回传 vector 第一个元素的引用。
• vec.back() - 回传 vector 最尾端元素的引用。

（2）新增或移除元素的方法

• vec.push_back() - 新增元素至 vector 的尾端，必要时会进行存储器配置。
• vec.pop_back() - 删除 vector 最尾端的元素。
• vec.insert() - 插入一个或多个元素至 vector 内的任意位置。
• vec.erase() - 删除 vector 中一个或多个元素。
• vec.clear() - 清空所有元素。

（3）获取长度/容量

• vec.size() - 获取 vector 目前持有的元素个数。
• vec.empty() - 如果 vector 内部为空，则传回 true 值。
• vec.capacity() - 获取 vector 目前可容纳的最大元素个数。这个方法与存储器的配置有关，它通常只会增加，不会因为元素被删减而随之减少。

（4）重新配置／重置长度

• vec.reserve() - 如有必要，可改变 vector 的容量大小（配置更多的存储器）。在众多的 STL 实例，容量只能增加，不可以减少。
• vec.resize() - 改变 vector 目前持有的元素个数。

（5）迭代 (Iterator)

• vec.begin() - 回传一个Iterator，它指向 vector 第一个元素。
• vec.end() - 回传一个Iterator，它指向 vector 最尾端元素的下一个位置（请注意：它不是最末元素）。
• vec.rbegin() - 回传一个反向Iterator，它指向 vector 最尾端元素的。
• vec.rend() - 回传一个Iterator，它指向 vector 的第一个元素的前一个位置。

4、 使用实例

• push、insert和迭代操作

#include 
#include 
using namespace std;
int main()
{
    //初始化一个空vector容量
    vector<char>value;
    //向value容器中的尾部依次添加 S、T、L 字符
    value.push_back('S');
    value.push_back('T');
    value.push_back('L');
    //调用 size() 成员函数容器中的元素个数
    printf("元素个数为：%d\n", value.size());
    //使用迭代器遍历容器
    for (auto i = value.begin(); i < value.end(); i++) {
        cout << *i << " ";
    }
    cout << endl;
    //向容器开头插入字符
    value.insert(value.begin(), 'C');
    cout << "首个元素为：" << value.at(0) << endl;
    return 0;
}

输出结果：

元素个数为：3
S T L
首个元素为：C

参考资料：
《https://zh.wikipedia.org/wiki/Vector_(STL)》
《http://c.biancheng.net/view/6749.html》