C++ vector 容器

在 C++ 中，vector 是最常用的 STL 容器之一。

vector 本质上是一个可自动扩容的动态数组，与传统数组相比，vector 不需要手动管理内存，可以根据元素数量自动扩容。

由于 vector 具有：

• 连续内存存储
• 随机访问速度快
• STL 生态完整
• 缓存友好（Cache Friendly）

因此，在现代 C++ 开发中，大部分顺序数据存储场景都会优先考虑 vector。

vector 的核心特点

• 动态大小：vector 可以自动扩容和缩容。
• 连续内存：元素在内存中连续存储，访问效率非常高。
• 随机访问：支持通过下标快速访问元素，时间复杂度为 O(1)。
• 自动内存管理：不需要手动 malloc/free。
• 支持迭代器：可以方便地与 STL 算法配合使用。

为什么 vector 很快？

vector 的元素在内存中是连续排列的：

[1][2][3][4][5]

这种布局对 CPU Cache 非常友好。

CPU 在读取第一个元素时，通常会提前把后面的数据一起加载到缓存中，因此遍历 vector 的速度通常非常快。

这也是为什么很多情况下：

vector 比 list 更快

即使 list 在理论上的删除复杂度更低。

使用 vector

使用 vector 前，需要包含头文件：

#include <vector>

创建 vector

创建一个空 vector：

std::vector<int>vec;

指定初始大小：

std::vector<int>vec(5);

以上代码会创建 5 个元素，默认值为 0。

指定初始值：

std::vector<int>vec(5, 10);

创建结果：

[10, 10, 10, 10, 10]

使用初始化列表：

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

添加元素

使用 push_back() 向尾部添加元素：

vec.push_back(100);

vector 尾部追加元素的平均时间复杂度为：

O(1)

访问元素

使用下标访问：

int x = vec[0];

使用 at()：

int y = vec.at(1);

区别：

• [] 不检查越界，速度更快。
• at() 会检查越界，更安全。

获取大小

vec.size();

返回当前元素数量。

size 和 capacity 的区别

这是 vector 最重要的概念之一。

std::vector<int>vec;

vec.push_back(1);
vec.push_back(2);

std::cout << vec.size() << std::endl;
std::cout << vec.capacity() << std::endl;

输出可能为：

2
4

• size：当前元素数量。
• capacity：当前已分配的内存容量。

capacity 通常大于等于 size。

这是因为 vector 会提前申请更多空间，以减少频繁扩容。

vector 扩容机制

当 vector 空间不足时，会发生扩容：

1. 申请更大的内存
2. 复制旧元素
3. 释放旧内存

这个过程代价较高。

例如：

std::vector<int>vec;

for (int i = 0; i < 1000000; i++) {
    vec.push_back(i);
}

可能发生多次内存重新分配。

reserve() 预分配空间

为了避免频繁扩容，可以提前分配内存：

std::vector<int>vec;

vec.reserve(1000000);

这样可以减少：

• 内存重新分配
• 元素复制
• 性能损耗

这是工程开发中非常重要的优化技巧。

遍历 vector

使用下标

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

使用迭代器

for (auto it = vec.begin(); it != vec.end(); ++it) {
    std::cout << *it << " ";
}

范围 for 循环

for (int element : vec) {
    std::cout << element << " ";
}

删除元素

删除第三个元素：

vec.erase(vec.begin() + 2);

注意：

vector 删除中间元素时，后面的元素会整体前移。

例如：

1 2 3 4 5

删除 2 后：

1 3 4 5

其中：

3 4 5

都需要移动位置。

因此：

erase() 的时间复杂度为 O(n)

vector 不适合的场景

• 频繁头部插入
• 频繁中间删除
• 超大对象频繁扩容

例如：

vec.insert(vec.begin(), 100);

这是一个较慢的操作。

迭代器失效

vector 扩容后，原来的内存地址可能失效。

例如：

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

auto it = vec.begin();

vec.push_back(4);

std::cout << *it;

这里的 it 可能已经失效。

因为 push_back() 可能导致重新分配内存。

这是 vector 最常见的坑之一。

clear() 的注意事项

vec.clear();

clear() 只会清空元素：

• size 变为 0
• capacity 可能仍然保留

也就是说：

clear() 不一定释放内存

如果希望释放内存：

std::vector<int>().swap(vec);

或者：

vec.shrink_to_fit();

push_back 和 emplace_back

现代 C++ 更推荐使用：

emplace_back()

例如：

vec.push_back(Person("Tom", 20));

可能产生临时对象。

而：

vec.emplace_back("Tom", 20);

会直接在 vector 内部原地构造对象。

通常效率更高。

vector 与数组的区别

vector 常见操作复杂度

实例：学生成绩管理

输出结果如下：

所有成绩: 85 90 78 92 88 
平均成绩: 86.6
删除后成绩: 85 90 92 88 

总结

vector 是现代 C++ 中最重要、最常用的数据结构之一。

它的核心优势：

• 动态扩容
• 连续内存
• 随机访问快
• 缓存友好
• STL 生态完整

但同时也需要注意：

• 扩容的性能代价
• 中间删除效率低
• 迭代器失效问题

对于绝大多数顺序存储场景：

vector 通常都是默认首选容器