【C++】Vector -- 详解

一、vector的介绍及使用

1、vector的介绍

https://cplusplus.com/reference/vector/vector/

1. vector 是表示可变大小数组的序列容器。
2. 就像数组一样，vector 也采用的连续存储空间来存储元素。也就是意味着可以采用下标对 vector 的元素进行访问，和数组一样高效。但是又不像数组，它的大小是可以动态改变的，而且它的大小会被容器自动处理。
3. 本质讲，vector 使用动态分配数组来存储它的元素。当新元素插入时候，这个数组需要被重新分配大小，为了增加存储空间。其做法是，分配一个新的数组，然后将全部元素移到这个数组。就时间而言，这是一个相对代价高的任务，因为每当一个新的元素加入到容器的时候，vector并不会每次都重新分配大小。
4. vector 分配空间策略：vector 会分配一些额外的空间以适应可能的增长，因为存储空间比实际需要的存储空间更大。不同的库采用不同的策略权衡空间的使用和重新分配。但是无论如何，重新分配都应该是对数增长的间隔大小，以至于在末尾插入一个元素的时候是在常数时间的复杂度完成的。
5. 因此，vector 占用了更多的存储空间，为了获得管理存储空间的能力，并且以一种有效的方式动态增长。
6. 与其它动态序列容器相比（deque, list and forward_list），vector 在访问元素的时候更加高效，在末尾添加和删除元素相对高效。对于其它不在末尾的删除和插入操作，效率更低。比起 list 和 forward_list 统一的迭代器和引用更好

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2、vector的使用

（1）vector的定义

https://cplusplus.com/reference/vector/vector/vector/

• default(1)

这里给的是一个缺省值，目前只要看到 alloc 就可以直接忽略它，它是 STL 六大组件中的空间配置器。

• fill(2)

value_type 是第一个模板参数，它是一个 \0 。
 

• range(3)

这里的迭代器还是一个函数模板，也就是说这里的迭代器不一定是 vector 的迭代器。

// vector的构造
int TestVector1()
{
	// constructors used in the same order as described above:
	vector first;                                // empty vector of ints
	vector second(4, 100);                       // four ints with value 100
	vector third(second.begin(), second.end());  // iterating through second
	vector fourth(third);                        // a copy of third

	// 下面涉及迭代器初始化的部分
	// the iterator constructor can also be used to construct from arrays:
	int myints[] = {16, 2, 77, 29};
	vector fifth(myints, myints + sizeof(myints) / sizeof(int));

	cout << "The contents of fifth are:";
	for (vector::iterator it = fifth.begin(); it != fifth.end(); ++it)
	{
		cout << ' ' << *it;
	}		
	cout << '\n';

	return 0;
}

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（2）vector iterator 的使用

 

// vector的迭代器
void PrintVector(const vector& v)
{
	// const对象使用const迭代器进行遍历打印
	vector::const_iterator it = v.begin();
	while (it != v.end())
	{
		cout << *it << " ";
		++it;
	}
	cout << endl;
}

void TestVector2()
{
	// 使用push_back插入4个数据
	vector v;
	v.push_back(1);
	v.push_back(2);
	v.push_back(3);
	v.push_back(4);

	// 使用迭代器进行遍历打印
	vector::iterator it = v.begin();
	while (it != v.end())
	{
		cout << *it << " ";
		++it;
	}
	cout << endl;

	// 使用迭代器进行修改
	it = v.begin();
	while (it != v.end())
	{
		*it *= 2;
		++it;
	}

	// 使用反向迭代器进行遍历再打印
	// vector::reverse_iterator rit = v.rbegin();
	auto rit = v.rbegin();
	while (rit != v.rend())
	{
		cout << *rit << " ";
		++rit;
	}
	cout << endl;

	PrintVector(v);
}

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（3） vector 空间增长问题

• capacity 的代码在 VS 和 G++ 下分别运行会发现，VS 下 capacity 是按 1.5 倍增长的，G++ 是按 2 倍增长的。这个问题经常会考察，不要固化的认为，vector 增容都是 2 倍，具体增长多少是根据具体的需求定义的。VS 是 PJ 版本 STL，G++ 是 SGI 版本 STL。
• reserve 只负责开辟空间，如果确定知道需要用多少空间，reserve 可以缓解 vector 增容的代价缺陷问题。
• resize 在开空间的同时还会进行初始化，影响 size 。

// vector的resize和reserve
// reisze(size_t n, const T& data = T())
// 将有效元素个数设置为n个，如果时增多时，增多的元素使用data进行填充
// 注意：resize在增多元素个数时可能会扩容
void TestVector3()
{
	vector v;

	// set some initial content:
	for (int i = 1; i < 10; i++)
		v.push_back(i);

	v.resize(5);
	v.resize(8, 100);
	v.resize(12);

	cout << "v contains:";
	for (size_t i = 0; i < v.size(); i++)
		cout << ' ' << v[i];
	cout << '\n';
}

// 测试vector的默认扩容机制
// VS：按照1.5倍方式扩容
// Linux：按照2倍方式扩容
void TestVectorExpand()
{
	size_t sz;
	vector v;
	sz = v.capacity();
	cout << "making v grow:\n";
	for (int i = 0; i < 100; ++i)
	{
		v.push_back(i);
		if (sz != v.capacity())
		{
			sz = v.capacity();
			cout << "capacity changed: " << sz << '\n';
		}
	}
}

VS2019： 

g++运行结果：linux下使用的STL基本是按照2倍方式扩容
making foo grow:
capacity changed: 1
capacity changed: 2
capacity changed: 4
capacity changed: 8
capacity changed: 16
capacity changed: 32
capacity changed: 64
capacity changed: 128

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（4）vector 增删查改

迭代器 的主要作用就是让算法能够不用关心底层数据结构，其底层实际就是一个指针，或者是对指针进行了封装，比如：vector 的迭代器就是原生态指针 T* 。因此迭代器失效，实际就是迭代器底层对应指针所指向的空间被销毁了，而使用一块已经被释放的空间，造成的后果是程序崩溃（即如果继续使用已经失效的迭代器，程序可能会崩溃）。

⚪对于 vector 可能会导致其迭代器失效的操作有：

a. 会引起其底层空间改变的操作，都有可能是迭代器失效。

比如：resize、reserve、insert、assign、push_back 等。

// 尾插和尾删：push_back/pop_back
void TestVector4()
{
	vector v;
	v.push_back(1);
	v.push_back(2);
	v.push_back(3);
	v.push_back(4);

	auto it = v.begin();
	while (it != v.end())
	{
		cout << *it << " ";
		++it;
	}
	cout << endl;

	v.pop_back();
	v.pop_back();

	it = v.begin();
	while (it != v.end())
	{
		cout << *it << " ";
		++it;
	}
	cout << endl;
}

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b. 指定位置元素的删除操作 -- erase

// 任意位置插入：insert和erase，以及查找find
void TestVector5()
{
	// 使用列表方式初始化，C++11新语法
	vector v{ 1, 2, 3, 4 };

	// 在指定位置前插入值为val的元素，比如：3之前插入30,如果没有则不插入
	// 1、先使用find查找3所在位置
	// 注意：vector没有提供find方法，如果要查找只能使用STL提供的全局find
	auto pos = find(v.begin(), v.end(), 3);
	if (pos != v.end())
	{
		// 2、在pos位置之前插入30
		v.insert(pos, 30);
	}

	vector::iterator it = v.begin();
	while (it != v.end())
	{
		cout << *it << " ";
		++it;
	}
	cout << endl;

	pos = find(v.begin(), v.end(), 3);
	// 删除pos位置的数据
	v.erase(pos);

	it = v.begin();
	while (it != v.end())
	{
		cout << *it << " ";
		++it;
	}
	cout << endl;
}

注意：find 不是 vector 自身提供的方法，是 STL 提供的算法。

对于 erase，我们在 erase 后也可能会失效，失效的原因有两种：

1. insert 会扩容，那么 erase 也会缩容（比如有 200 个容量的空间、200 个有效数据，现在删除后，只剩下 70 个有效数据，然后想把容量给缩容至一半【开 100 个容量的空间，把旧空间内容拷贝后释放，pos 就是野指针了】)
2. 永远不动这块空间，直接把后面的数据往前覆盖。

这两种方式有是有可能的，STL 并没有对它们进行规定，但是不管缩容与否，都认为它们失效了，因为意义已经变了。并且在 VS 下做了非常严格的检查（pos 仅仅是意义改变了，并没有野指针，都不能进行访问），而 g++ 下没有问题。

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c. 注意：Linux 下，G++ 编译器对迭代器失效的检测并不是非常严格，处理也没有 VS 下极端。 与 vector 类似，string 在插入+扩容操作+ erase 之后，迭代器也会失效。

① 扩容之后，迭代器已经失效了，程序虽然可以运行，但是运行结果已经不对了。

int main()
{
    vector v{1, 2, 3, 4, 5};
    for(size_t i = 0; i < v.size(); ++i)
    {
        cout << v[i] << " ";
    }
    cout << endl;

    auto it = v.begin();
    cout << "扩容之前，vector的容量为: " << v.capacity() << endl;    
    v.reserve(100); // 通过reserve将底层空间设置为100，目的是为了让vector的迭代器失效 
    cout << "扩容之后，vector的容量为: " << v.capacity() << endl;
  
    while(it != v.end())
    {
        cout << *it << " ";
        ++it;
    }
    cout << endl;

    return 0;
}

经过上述 reserve 之后，it 迭代器肯定会失效，在 VS 下程序就直接崩溃了，但是 Linux 下不会。虽然可能运行，但是输出的结果是不对的。

程序输出：

1 2 3 4 5

扩容之前， vector 的容量为 : 5

扩容之后， vector 的容量为 : 100

0 2 3 4 5 409 1 2 3 4 5

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②  erase 删除任意位置代码后，Linux下迭代器并没有失效。

#include 
#include 
int main()
{
    vector v{1, 2, 3, 4, 5};
    vector::iterator it = find(v.begin(), v.end(), 3);
    v.erase(it);
    cout << *it << endl;
    while(it != v.end())
    {
        cout << *it << " ";
        ++it;
    }
    cout << endl;

    return 0;
}

因为空间还是原来的空间，后序元素往前搬移了，it 的位置还是有效的。

程序可以正常运行，并打印：

4

4 5

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③  erase 删除的迭代器如果是最后一个元素，删除之后 it 已经超过 end。

int main()
{
    vector v{1, 2, 3, 4, 5};
    // vector v{1, 2, 3, 4, 5, 6};
    auto it = v.begin();
    while(it != v.end())
    {
        if(*it % 2 == 0)
        {
            v.erase(it);
        }
        ++it;
    }
    for(auto e : v)
    {    
        cout << e << " ";
    }
    cout << endl;

    return 0;
}

此时迭代器是无效的，++it 导致程序崩溃。

1、使用第一组数据时，程序可以运行

[ sly@VM - 0 - 3 - centos 20220114 ] $ g ++ testVector . cpp - std = c ++ 11

[ sly@VM - 0 - 3 - centos 20220114 ] $ . / a . out

1 3 5

2、 使用第二组数据时，程序最终会崩溃

[ sly@VM - 0 - 3 - centos 20220114 ] $ vim testVector . cpp

[ sly@VM - 0 - 3 - centos 20220114 ] $ g ++ testVector . cpp - std = c ++ 11

[ sly@VM - 0 - 3 - centos 20220114 ] $ . / a . out

Segmentation fault

从上述三个例子中可以看到：SGI STL 中，迭代器失效后，代码并不一定会崩溃，但是运行结果肯定不对，如果 it 不在 begin 和 end 范围内，肯定会崩溃的。

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d. 与vector类似，string在插入+扩容操作+erase之后，迭代器也会失效。

#include 
void TestString()
{
    string s("hello");
    auto it = s.begin();

    //s.resize(20, '!'); // 代码会崩溃，因为resize到20，string会进行扩容

    while (it != s.end())
    {
        cout << *it;
        ++it;
    }
    cout << endl;

    it = s.begin();
    while (it != s.end())
    {
        it = s.erase(it);
        // s.erase(it); // 运行时程序会崩溃，因为erase(it)之后，it位置的迭代器就失效了
        ++it;
    }
}

• 扩容之后，it 指向之前旧空间已经被释放了，该迭代器就失效了。
• 后序打印时，再访问 it 指向的空间程序就会崩溃。

迭代器失效解决办法 ：在使用前，对迭代器重新赋值即可。

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【补充】

operator[] + index 和 C++11 中 vector 的新式 for+auto 的遍历。
vector 使用这两种遍历方式是比较便捷的。

void TestVector6()
{
	vector v{1, 2, 3, 4};
	
	v[0] = 10; // 通过[]读写第0个位置
	cout << v[0] << endl;

	// 1、使用for+[]下标方式遍历
	for (size_t i = 0; i < v.size(); ++i)
	{
		cout << v[i] << " ";
	}	
	cout << endl;

	vector swapv;
	swapv.swap(v); // 使用swap函数将原先的vector v与一个新的空vector swapv进行交换
	cout << "v data:";
    // 在输出v的数据时，可以看到原先的v已经变为空，不再包含任何元素
	for (size_t i = 0; i < v.size(); ++i)
	{
		cout << v[i] << " ";
	}		
	cout << endl;

	// 2、使用迭代器遍历
	cout << "swapv data:";
	auto it = swapv.begin();
	while (it != swapv.end())
	{
		cout << *it << " ";
		++it;
	}

	// 3、使用范围for遍历
	for (auto x : v)
	{
		cout << x << " ";
	}		
	cout << endl;
}

 

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operator[] 和 at 的区别是什么？

它们之间的主要区别在于对边界检查的处理方式：

• operator[] 使用下标访问运算符 [] 可以直接通过索引来获取元素，不进行边界检查。如果使用下标访问一个越界的索引，会导致未定义行为。这种方式比较高效，适用于已经进行了边界检查或者明确知道索引是有效的情况。
• at() 函数也用于通过索引来获取元素，但它会进行边界检查。如果传入的索引超过了有效的范围，at() 函数会抛出 std::out_of_range 异常。这种方式更安全，建议在需要进行边界检查或者对索引的有效性不确定时使用。

【总结】

operator[] 执行更快但不进行边界检查，而 at() 相对安全但速度稍慢，因为它会进行边界检查并抛出异常。

对于失效，有对应的机制来处理：比如 insert 是有一个返回值的，它返回一个迭代器指向新插入的那个元素，也就是说你想去访问那个指向的新插入的元素就可以 pos 接收 insert 的返回值。同理， erase 也是相同的，它返回被删除数据的下一个数据的位置。

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二、vector深度剖析及模拟实现

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1、std::vector的核心框架接口的模拟实现xyl::vector

#pragma once

#include 
using namespace std;
#include 

namespace xyl
{
	template
	class vector
	{
	public:
		// Vector的迭代器是一个原生指针
		typedef T* iterator;
		typedef const T* const_iterator;

		// 构造和销毁
		vector()
			: _start(nullptr)
			, _finish(nullptr)
			, _end_of_storage(nullptr)
		{}

		vector(size_t n, const T& value = T())
			: _start(nullptr)
			, _finish(nullptr)
			, _end_of_storage(nullptr)
		{
			reserve(n);
			while (n--)
			{
				push_back(value);
			}
		}

		/*
		* 理论上将，提供了vector(size_t n, const T& value = T())之后
		* vector(int n, const T& value = T())就不需要提供了，但是对于：vector v(10, 5);
		* 编译器在编译时，认为T已经被实例化为int，而10和5编译器会默认其为int类型
		* 就不会走vector(size_t n, const T& value = T())这个构造方法，
		* 最终选择的是：vector(InputIterator first, InputIterator last)
		* 因为编译器觉得区间构造两个参数类型一致，因此编译器就会将InputIterator实例化为int
		* 但是10和5根本不是一个区间，编译时就报错了。故需要增加该构造方法
		*/

		vector(int n, const T& value = T())
			: _start(new T[n])
			, _finish(_start + n)
			, _end_of_storage(_finish)
		{
			for (int i = 0; i < n; ++i)
			{
				_start[i] = value;
			}
		}

		// 若使用iterator做迭代器，会导致初始化的迭代器区间[first,last)只能是vector的迭代器
		// 重新声明迭代器，迭代器区间[first,last)可以是任意容器的迭代器
		template
		vector(InputIterator first, InputIterator last)
		{
			while (first != last)
			{
				push_back(*first);
				++first;
			}
		}

		vector(const vector& v)
			: _start(nullptr)
			, _finish(nullptr)
			, _end_of_storage(nullptr)
		{
			reserve(v.capacity());
			iterator it = begin();
			const_iterator vit = v.cbegin();
			while (vit != v.cend())
			{
				*it++ = *vit++;
			}
			_finish = it;
		}

		vector& operator=(vector v)
		{
			swap(v);
			return *this;
		}

		~vector()
		{
			if (_start)
			{
				delete[] _start;
				_start = _finish = _end_of_storage = nullptr;
			}
		}

		// 迭代器相关
		iterator begin()
		{
			return _start;
		}

		iterator end()
		{
			return _finish;
		}

		const_iterator cbegin() const
		{
			return _start;
		}

		const_iterator cend() const
		{
			return _finish;
		}


		// 容量相关
		size_t size() const
		{
			return _finish - _start;
		}

		size_t capacity() const
		{
			return _end_of_storage - _start;
		}

		bool empty() const
		{
			return _start == _finish;
		}

		void reserve(size_t n)
		{
			if (n > capacity())
			{
				size_t oldSize = size();
				// 1、开辟新空间
				T* tmp = new T[n];

				//2、拷贝元素
				//这里直接使用memcpy会有问题吗?
				//if (_start)
				//{ 
				//	memcpy(tmp, _start, sizeof(T)*size);
				//}

				if (_start)
				{
					for (size_t i = 0; i < oldSize; ++i)
					{
						tmp[i] = _start[i];
					}
					// 3、释放旧空间
					delete[] _start;
				}
				_start = tmp;
				_finish = _start + oldSize;
				_end_of_storage = _start + n;
			}
		}

		void resize(size_t n, const T& value = T())
		{
			// 1、如果n小于当前的size，则数据个数缩小到n
			if (n <= size())
			{
				_finish = _start + n;
				return;
			}
			// 2、空间不够则增容
			if (n > capacity())
			{
				reserve(n);
			}				
			// 3、将size扩大到n
			iterator it = _finish;
			_finish = _start + n;
			while (it != _finish)
			{
				*it = value;
				++it;
			}
		}

		
		// 元素访问
		T& operator[](size_t pos)
		{
			assert(pos < size());
			return _start[pos];
		}

		const T& operator[](size_t pos)const
		{
			assert(pos < size());
			return _start[pos];
		}

		T& front()
		{
			return *_start;
		}

		const T& front()const
		{
			return *_start;
		}

		T& back()
		{
			return *(_finish - 1);
		}

		const T& back()const
		{
			return *(_finish - 1);
		}
		

		// vector的修改操作
		void push_back(const T& x) 
		{
			insert(end(), x);
		}

		void pop_back()
		{
			erase(end() - 1);
		}

		void swap(vector& v)
		{
			std::swap(_start, v._start);
			std::swap(_finish, v._finish);
			std::swap(_end_of_storage, v._end_of_storage);
		}

		iterator insert(iterator pos, const T& x)
		{
			assert(pos <= _finish);

			// 空间不够先进行增容
			if (_finish == _endOfStorage)
			{
				//size_t size = size();
				size_t newCapacity = (0 == capacity()) ? 1 : capacity() * 2;
				reserve(newCapacity);

				// 如果发生了增容，需要重置pos
				pos = _start + size();
			}

			iterator end = _finish - 1;
			while (end >= pos)
			{
				*(end + 1) = *end;
				--end;
			}

			*pos = x;
			++_finish;
			return pos;
		}

		// 返回删除数据的下一个数据
		// 方便解决：一边遍历一边删除的迭代器失效问题
		iterator erase(iterator pos)
		{
			// 挪动数据进行删除
			iterator begin = pos + 1;
			while (begin != _finish) {
				*(begin - 1) = *begin;
				++begin;
			}
			--_finish;
			return pos;
		}
	private:
		iterator _start;		// 指向数据块的开始
		iterator _finish;		// 指向有效数据的尾
		iterator _end_of_storage; // 指向存储容量的尾
	};
}


// 对模拟实现的vector进行严格测试
void TestXylVector1()
{
	xyl::vector v1;
	xyl::vector v2(10, 5);

	int array[] = { 1,2,3,4,5 };

	xyl::vector v3(array, array + sizeof(array) / sizeof(array[0]));
	xyl::vector v4(v3);

	for (size_t i = 0; i < v2.size(); ++i)
	{
		cout << v2[i] << " ";
	}
	cout << endl;

	auto it = v3.begin();
	while (it != v3.end())
	{
		cout << *it << " ";
		++it;
	}
	cout << endl;

	for (auto e : v4)
	{
		cout << e << " ";
	}
	cout << endl;
}


void TestXylVector2()
{
	xyl::vector v;

	v.push_back(1);
	v.push_back(2);
	v.push_back(3);
	v.push_back(4);
	v.push_back(5);

	cout << v.size() << endl;
	cout << v.capacity() << endl;
	cout << v.front() << endl;
	cout << v.back() << endl;
	cout << v[0] << endl;

	for (auto e : v)
	{
		cout << e << " ";
	}
	cout << endl;

	v.pop_back();
	v.pop_back();

	for (auto e : v)
	{
		cout << e << " ";
	}
	cout << endl;

	v.insert(v.begin(), 0);
	for (auto e : v)
	{
		cout << e << " ";
	}
	cout << endl;

	v.erase(v.begin() + 1);
	for (auto e : v)
	{
		cout << e << " ";
	}
	cout << endl;
}

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2、使用memcpy拷贝问题

假设模拟实现的 vector 中的 reserve 接口中，使用 memcpy 进行的拷贝，以下代码会发生什么问题？

int main()
{
    xyl::vector v;
    v.push_back("1111");
    v.push_back("2222");
    v.push_back("3333");

    return 0;
}

【问题分析】

1. memcpy 是内存的二进制格式拷贝，将一段内存空间中内容原封不动的拷贝到另外一段内存空间中。
2. 如果拷贝的是自定义类型的元素，memcpy 既高效又不会出错，但如果拷贝的是自定义类型元素，并且自定义类型元素中涉及到资源管理时，就会出错，因为 memcpy 的拷贝实际是浅拷贝。

结论 ：如果对象中涉及到资源管理时，千万不能使用 memcpy 进行对象之间的拷贝，因为 memcpy 是浅拷贝，否则可能会引起内存泄漏甚至程序崩溃。

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3、动态二维数组理解

// 以杨辉三角的前n行为例：假设n为5
void test2vector(size_t n)
{
    // 使用vector定义二维数组vv，vv中的每个元素都是vector
    xyl::vector> vv(n);
 
    // 将二维数组每一行中的vecotr中的元素全部设置为1
    for (size_t i = 0; i < n; ++i)
    {
        vv[i].resize(i + 1, 1);
    }
    // 给杨慧三角出第一列和对角线的所有元素赋值
    for (int i = 2; i < n; ++i)
    {
        for (int j = 1; j < i; ++j)
        {
            vv[i][j] = vv[i - 1][j] + vv[i - 1][j - 1];
        }
    }
}

xyl::vector> vv(n); 构造一个 vv 动态二维数组，vv 中总共有 n 个元素，每个元素都是 vector 类型的，每行没有包含任何元素，如果 n 为 5 时如下所示：

vv 中元素填充完成之后，如下图所示：  

使用标准库中 vector 构建动态二维数组时与上图实际是一致的。