C++ vector 用法：std::vector 动态数组详解

为什么用 vector 而不是原始数组

原始数组的大小在编译时就固定下来，而且一旦传给函数，就忘了自己有多长。std::vector 解决了这两个问题：它是一个可变大小的数组，会记录自己的长度、按需增长，并自己清理内存。在现代 C++ 中，vector 是默认的容器，只有当你有特别的理由时才去用原始数组。

包含 <vector>，然后在尖括号里写上元素类型来声明一个 vector：

#include <iostream>
#include <vector>
using namespace std;

int main() {
    vector<int> scores = {90, 75, 100, 60};

    cout << "Count: " << scores.size() << "\n";
    cout << "First: " << scores[0] << "\n";
}

scores.size() 总能告诉你当前的长度：不需要另外维护一个 int n，也不需要 sizeof 技巧。{90, 75, 100, 60} 是一个花括号初始化器，vector 会自己算出它需要四个位置。

创建和初始化 vector

根据你事先知道的信息，有好几种创建方式：

#include <iostream>
#include <string>
#include <vector>
using namespace std;

int main() {
    vector<int> empty;                 // 0 elements
    vector<int> filled = {1, 2, 3};    // 3 elements from a list
    vector<int> tens(5, 10);           // 5 elements, each = 10
    vector<string> names(3);           // 3 empty strings

    cout << empty.size() << " "
         << filled.size() << " "
         << tens.size() << " "
         << names.size() << "\n";      // 0 3 5 3
}

注意圆括号与花括号的陷阱：vector<int> tens(5, 10) 创建的是五个 10，而 vector<int> tens{5, 10} 创建的是一个包含 5 和 10 两个元素的 vector。圆括号表示“大小和填充值”，花括号表示“就是这些元素”。

添加和删除元素

vector 的意义就在于它能增长。push_back 在末尾追加元素，pop_back 从末尾删除元素：

#include <iostream>
#include <vector>
using namespace std;

int main() {
    vector<int> v;          // start empty
    v.push_back(10);
    v.push_back(20);
    v.push_back(30);

    v.pop_back();           // drop the 30

    cout << "Size: " << v.size() << "\n";   // 2
    cout << "Back: " << v.back() << "\n";    // 20
}

back() 返回最后一个元素，front() 返回第一个，比 v[v.size() - 1] 和 v[0] 更简洁。从 C++11 开始，你还可以用 emplace_back(args...) 原地构造元素，对于较重的类型可以省去一次临时复制。

初学者的一个常见错误是对空 vector 调用 front() 或 back()。这是未定义行为，而不是报错，所以一定要先用 if (!v.empty()) 做检查。

读取元素：[] 与 at()

你可以像数组一样用 [] 按下标访问 vector。但 [] 不做边界检查，越界的下标是未定义行为，可能悄悄读到垃圾值，或者稍后在一个令人困惑的地方崩溃：

vector<int> v = {1, 2, 3};
cout << v[10];   // UNDEFINED BEHAVIOR - no check, no error

想要安全时，就用 at()。它会检查下标，访问无效时抛出 std::out_of_range，这是一种你可以捕获的标准库异常，所以你得到的是一个清晰的失败，而不是数据损坏：

#include <iostream>
#include <stdexcept>
#include <vector>
using namespace std;

int main() {
    vector<int> v = {1, 2, 3};

    try {
        cout << v.at(10) << "\n";   // throws out_of_range
    } catch (const out_of_range& e) {
        cout << "Caught: " << e.what() << "\n";
    }
}

经验法则：在已经确认下标有效的紧凑循环里用 []，在可能混入错误输入的边界处用 at()。

遍历 vector

遍历 vector 最简洁的方式是基于范围的 for 循环。用 const auto& 获取元素可以只读而不复制，用 auto& 则可以原地修改：

#include <iostream>
#include <vector>
using namespace std;

int main() {
    vector<int> v = {1, 2, 3, 4};

    for (auto& n : v) {       // reference - edits the real elements
        n *= n;
    }

    for (const auto& n : v) { // read-only
        cout << n << " ";     // 1 4 9 16
    }
    cout << "\n";
}

如果确实需要下标（比如要比较相邻元素），就用传统的计数循环。但要注意 size() 返回的是无符号类型（size_t）。拿有符号的 int i 和它比较，可能触发编译器警告和出人意料的回绕，所以尽量使用 size_t i 或基于范围的循环：

for (size_t i = 0; i < v.size(); i++) {   // size_t, not int
    cout << v[i];
}

size、capacity 与 reserve

vector 维护着两个数字：size()（当前存了多少个元素）和 capacity()（在必须增长之前能存多少个）。当一次 push_back 超出容量时，vector 会分配一块更大的内存，把每个元素复制过去，再释放旧的内存块。这就是为什么反复 push_back 的均摊成本很低，但每一次重新分配本身并不是免费的：

#include <iostream>
#include <vector>
using namespace std;

int main() {
    vector<int> v;
    v.reserve(100);          // pre-allocate room for 100

    for (int i = 0; i < 100; i++) {
        v.push_back(i);      // no reallocation - capacity already there
    }

    cout << "Size: " << v.size() << ", capacity >= " << v.capacity() << "\n";
}

如果你大致知道要添加多少个元素，就先调用 reserve()，省掉反复的重新分配。注意 reserve() 改变的是容量而不是大小：在你放入元素之前，vector 里仍然是零个元素。

这种重新分配也是 vector 最棘手 bug 的根源。因为增长会移动存储，你保存下来的任何指向 vector 内部的指针、引用或迭代器，在一次触发重新分配的 push_back 之后都会变成悬空的：

vector<int> v = {1, 2, 3};
int& first = v[0];     // reference into the vector
v.push_back(4);        // may reallocate...
cout << first;         // DANGLING - may point at freed memory

迭代器也是一样：用保存下来的迭代器遍历时，不要 push_back 或 erase。如果必须在循环中删除元素，请使用 erase 的返回值，或者使用配合 std::remove 的 erase-remove 惯用法。

下一步：map

当你按位置查找时（第 0 个元素、第 1 个元素，依此类推），vector 是完美的选择。但很多时候你想按键来查找：用户名、商品 ID、一个单词。这正是 std::map 的用途。接下来我们会讲解 C++ 的键值容器 map，包括如何插入、查找和遍历条目，以及几乎每个人都会踩到的“[] 会创建默认值”的陷阱。