《C++：从代码到机器》：vector 的坑只有 C++ 党懂？介绍使用 + 深度剖析 + 模拟实现，帮你全避开
2025-11-19 15:07:48
文章摘要
本文围绕 C++ 的 vector 容器展开，先按 “能用、明理、能扩展” 思路，介绍其定义、迭代器、空间增长、增删查改等核心接口及 OJ 实战应用，重点解析迭代器失效问题与跨平台差异；再深入剖析底层逻辑，给出核心接口模拟实现，点明 memcpy 拷贝风险与动态二维数组用法，助力读者掌握 vector 的使用与底层原理，为后续 STL 容器学习奠基
正文
1.vector的介绍及使用
1.1 vector的介绍
vector的文档介绍使用STL的三个境界：能用，明理，能扩展 ，那么下面学习vector，我们也是按照这个方法去学习
1.2 vector的使用
vector学习时一定要学会查看文档：vector的文档介绍,vector在实际中非常的重要，在实际中我们熟悉常见的接口就可以，下面列出了哪些接口是要重点掌握的。
1.2.1 vector的定义
构造函数声明 | 接口说明 |
|---|---|
| 无参构造 |
| 构造并初始化 n 个 val |
| 拷贝构造 |
| 使用迭代器进行初始化构造 |
这些构造函数在下面代码实现中均会呈现1.2.2 vector iterator 的使用
iterator的使用 | 接口说明 |
|---|---|
| 获取第一个数据位置的iterator/const_iterator，获取最后一个数据的下一个位置的iterator/const_iterator |
| 获取最后一个数据位置的reverse_iterator，获取第一个数据前一个位置的reverse_iterator |
当然迭代器不是简单的指针，它的实现包装还是挺复杂的，但是在存储数据的一片连续空间中 我们可以用指针先简单模拟着
1.2.3 vector 空间增长问题
容量空间 | 接口说明 |
|---|---|
| 获取数据个数 |
| 获取容量大小 |
| 判断是否为空 |
| 改变vector的size |
| 改变vector的capacity |
- 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.
// 测试vector的默认扩容机制
void TestVectorExpand()
{
size_t sz;
vector<int> 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';
}
}
}
vs：运行结果：vs下使用的STL基本是按照1.5倍方式扩容
making foo grow :
capacity changed : 1
capacity changed : 2
capacity changed : 3
capacity changed : 4
capacity changed : 6
capacity changed : 9
capacity changed : 13
capacity changed : 19
capacity changed : 28
capacity changed : 42
capacity changed : 63
capacity changed : 94
capacity changed : 141
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
// 如果已经确定vector中要存储元素大概个数，可以提前将空间设置足够
// 就可以避免边插入边扩容导致效率低下的问题了
void TestVectorExpandOP()
{
vector<int> v;
size_t sz = v.capacity();
v.reserve(100); // 提前将容量设置好，可以避免一遍插入一遍扩容
cout << "making bar 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';
}
}
}
1.2.4 vector 增删查改
vector增删查改 | 接口说明 |
|---|---|
| 尾插 |
| 尾删 |
| 查找。(注意这个是算法模块实现，不是vector的成员接口) |
| 在position之前插入val |
| 删除position位置的数据 |
| 交换两个vector的数据空间 |
| 像数组一样访问 |
1.2.5 vector 迭代器失效问题。（重点）
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：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。
1.可以理解为野指针导致的迭代器失效
#include <iostream>
using namespace std;
#include <vector>
int main()
{
vector<int> v{ 1,2,3,4,5,6 };
auto it = v.begin();
// 将有效元素个数增加到100个，多出的位置使用8填充，操作期间底层会扩容
// v.resize(100, 8);
// reserve的作用就是改变扩容大小但不改变有效元素个数，操作期间可能会引起底层容
量改变
// v.reserve(100);
// 插入元素期间，可能会引起扩容，而导致原空间被释放
// v.insert(v.begin(), 0);
// v.push_back(8);
// 给vector重新赋值，可能会引起底层容量改变
v.assign(100, 8);
/*
出错原因：以上操作，都有可能会导致vector扩容，也就是说vector底层原理旧空间被释
放掉，而在打印时，it还使用的是释放之间的旧空间，在对it迭代器操作时，实际操作的是一块
已经被释放的空间，而引起代码运行时崩溃。
解决方式：在以上操作完成之后，如果想要继续通过迭代器操作vector中的元素，只需给
it重新赋值即可。
*/
while (it != v.end())
{
cout << *it << " ";
++it;
}
cout << endl;
return 0;
}
- 指定位置元素的删除操作--erase
代码解释：
#include <iostream>
using namespace std;
#include <vector>
int main()
{
int a[] = { 1, 2, 3, 4 };
vector<int> v(a, a + sizeof(a) / sizeof(int));
// 使用find查找3所在位置的iterator
vector<int>::iterator pos = find(v.begin(), v.end(), 3);
// 删除pos位置的数据，导致pos迭代器失效。
v.erase(pos);
cout << *pos << endl; // 此处会导致非法访问
return 0;
}
erase删除pos位置元素后，pos位置之后的元素会往前搬移，没有导致底层空间的改变，理论上讲迭代器不应该会失效，但是：如果pos刚好是最后一个元素，删完之后pos刚好是end的位置，而end位置是没有元素的，那么pos就失效了。因此删除vector中任意位置上元素时，vs就认为该位置迭代器失效了。
但是Linux下不会挂掉 因此可以看出不同平台的编译器的设计在文档不做要求的情况下设计可能是不同的
以下代码的功能是删除vector中所有的偶数，请问那个代码是正确的，为什么？
#include <iostream>
using namespace std;
#include <vector>
int main()
{
vector<int> v{ 1, 2, 3, 4 };
auto it = v.begin();
while (it != v.end())
{
if (*it % 2 == 0)
v.erase(it);
++it;
}
return 0;
}
int main()
{
vector<int> v{ 1, 2, 3, 4 };
auto it = v.begin();
while (it != v.end())
{
if (*it % 2 == 0)
it = v.erase(it);//erase 返回的删除元素的下一个元素的迭代器
else
++it;
}
return 0;
}
第二个正确
- 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。
// 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<int> 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;
// 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
v.reserve(100);
cout << "扩容之后，vector的容量为: " << v.capacity() << endl;
// 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
while (it != v.end())
{
cout << *it << " ";
++it;
}
cout << endl;
return 0;
}
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
这个也就是迭代器失效的第一种案列 即野指针导致的迭代器失效
// 2. erase删除任意位置代码后，linux下迭代器并没有失效
// 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
#include <vector>
#include <algorithm>
int main()
{
vector<int> v{ 1,2,3,4,5 };
vector<int>::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;
}
程序可以正常运行，并打印：
4
4 5
// 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
// 此时迭代器是无效的，++it导致程序崩溃
int main()
{
vector<int> v{ 1,2,3,4,5 };
// vector<int> 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;
}
========================================================
// 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
======================================================== =
// 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。
怎么说呢 ？在设计个人觉得还是vs的挂掉比较好，因为vs直接规避了 删除最后一个元素导致的越界问题。
//4. 与vector类似，string在插入+扩容操作+erase之后，迭代器也会失效
#include <string>
void TestString()
{
string s("hello");
auto it = s.begin();
// 放开之后代码会崩溃，因为resize到20会string会进行扩容
// 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
//s.resize(20, '!');
while (it != s.end())
{
cout << *it;
++it;
}
cout << endl;
it = s.begin();
while (it != s.end()
{
it = s.erase(it);
// 按照下面方式写，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
// s.erase(it);
++it;
}
}
所以为了使得咱们的代码可以在各个平台都能跑，在使用前，对迭代器重新赋值即可。
1.2.6 vector 在OJ中的使用。
只出现一次的数字
class Solution {
public:
int singleNumber(vector<int>& nums) {
int value = 0;
for (auto e : nums)
{
value ^= e;
}
return value;
}
};
补充位运算小知识：
- 0^任何数字 都是这个数字本身 2.相同的两个数按位^ 等于 0
杨辉三角
// 涉及resize / operator[]
// 核心思想：找出杨辉三角的规律，发现每一行头尾都是1，中间第[j]个数等于上一行[j-1]+
[j]
class Solution {
public:
vector<vector<int>> generate(int numRows) {
vector<vector<int>> vv(numRows);
for (int i = 0; i < numRows; ++i)
{
vv[i].resize(i + 1, 1);
}
for (int i = 2; i < numRows; ++i)
{
for (int j = 1; j < i; ++j)
{
vv[i][j] = vv[i - 1][j] + vv[i - 1][j - 1];
}
}
return vv;
}
};
总结：通过上面的练习我们发现vector常用的接口更多是插入和遍历。遍历更喜欢用数组operator[i]的形式访问，因为这样便捷。希望大家自己实现一遍上面讲解的OJ练习，然后请自行完成下面题目的OJ练习。以此增强学习vector的使用。
3. 删除排序数组中的重复项 OJ4. 只出现一次的数ii OJ5. 只出现一次的数iii OJ6. 数组中出现次数超过一半的数字 OJ7. 电话号码字母组合OJ
2.vector深度剖析及模拟实现
2.1 std::vector的核心框架接口的模拟实现bit::vector
【代码实现】:
#pragma once
//vector 的底层模拟实现
#include <iostream>
#include <assert.h>
namespace twg
{
template<class T>
class vector
{
typedef T* iterator;
typedef const T* const_iterator;
public:
//默认构造
vector() {};
//拷贝构造
vector(const vector<T>& s)
{
T* tmp = new T[s.capacity()];
//拷贝数据
for (int i =0 ; i < s.size(); i++)
{
tmp[i] = s[i];
}
_start = tmp;
_finish = tmp + s.size();
_end_of_storage = tmp + s.capacity();
}
//迭代器区间拷贝构造
template<class InputIterator>
vector(InputIterator first, InputIterator last)
:_start(nullptr),
_finish(nullptr),
_end_of_storage(nullptr)
{
while (first != last)
{
push_back(*first);
++first;
}
}
//析构
~vector()
{
//释放资源
if (_start != nullptr)
{
delete[] _start;
_start = _finish = _end_of_storage = nullptr;
}
}
//赋值重载
vector<T>& operator=( vector<T> s)
{
swap(s);
return *this;
}
//其他常用接口
//访问符重载
T& operator[](size_t n)
{
assert(n<size());
assert(n >= 0);
return *(_start + n);
}
const T& operator[](size_t n)const
{
assert(n < size());
assert(n >= 0);
return _start[n];
}
void swap(vector<T>& s)
{
std::swap(_start, s._start);
std::swap(_finish, s._finish);
std::swap(_end_of_storage, s._end_of_storage);
}
//reserve
void reserve(size_t n)
{
if (n <=capacity()) return;//不同扩容
else
{
int oldsize = size();
T* tmp = new T[n];
//拷贝数据
for (int i = 0; i < oldsize; i++)
{
tmp[i] = *(_start + i);
}
delete[] _start;//释放资源
_start = tmp;
_finish = tmp + oldsize;
_end_of_storage = tmp + n;;
}
}
void push_back(const T& x)
{
//检查空间是否够用
if (_finish == _end_of_storage)
{
//扩容
size_t newsize = _finish == nullptr ? 4 : capacity() * 2;
reserve(newsize);
}
//尾插元素
*_finish = x;
++_finish;
}
size_t size() const
{
return _finish - _start;
}
size_t capacity() const
{
return _end_of_storage - _start;
}
const iterator begin() const
{
return _start;
}
const iterator end() const
{
return _finish;
}
void print()
{
auto it = begin();
while (it != end())
{
*it;
++it;
}
std::cout << std::endl;
for (int i = 0; i < size(); i++)
{
std::cout << *(_start + i) << " ";
}
std::cout << std::endl;
}
void resize(size_t n,T x)
{
if (n <= size())
{
_finish = _start + n;
}
else if (n > size() && n < capacity())
{
int num = n - size();
while (num--)
{
push_back(x);
}
}
else
{
reserve(n);
int num = n - size();
while (num--)
{
push_back(x);
}
}
}
void insert(iterator pos, const T& x) // 使用const引用
{
// 检查pos有效性
assert(pos >= _start && pos <= _finish);
if (_finish == _end_of_storage)
{
// 扩容前计算pos的相对位置
size_t pos_index = pos - _start;
reserve(capacity() == 0 ? 4 : capacity() * 2);
pos = _start + pos_index; // 更新pos位置
}
iterator end = _finish - 1;
while (end >= pos)
{
*(end + 1) = *end;
--end;
}
*pos = x; // 在pos位置插入
++_finish;
}
void erase(const iterator& pos)
{
auto it = pos+1;
while (it != _finish)
{
*(it - 1) = *it;
++it;
}
_finish--;
}
void pop_back()
{
assert(_finish > _start);
--_finish;
}
private:
//相较string
//其数据是三个迭代器
iterator _start = nullptr;
iterator _finish = nullptr;
iterator _end_of_storage = nullptr;
};
}
vector 的常用接口的模拟实现
2.2 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()
{
twg::vector<bite::string> v;
v.push_back("1111");
v.push_back("2222");
v.push_back("3333");
return 0;
}
问题分析：
- 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2.2. 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。
2.3 动态二维数组理解
// 以杨慧三角的前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<int>
twg::vector<bit::vector<int>> vv(n);
// 将二维数组每一行中的vecotr<int>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];
}
}
}
bit::vectorbit::vector<int> 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
结语：
从 vector 的基础定义、迭代器使用，到空间增长的奥秘，再到增删查改的实战，甚至亲手模拟实现它的核心逻辑…… 我们一步步拆解了这个 C++ 里 “动态数组” 的精髓，也见识了迭代器失效这类 “坑” 与解决思路，还在 OJ 题目里感受了它的实战威力～
vector 作为 STL 容器的 “入门级核心选手”，学好它不仅能搞定不少算法题，更能帮你触摸到 “代码如何映射到底层内存” 的门道（这也是咱们《C++：从代码到机器》专栏想传递的核心 —— 看透语法背后的运行逻辑）
现在，不妨自己敲一遍 vector 的模拟实现代码，再去 OJ 里刷几道题练练手～相信你会对 “容器”“迭代器” 这些概念有更鲜活的理解，也为后续探索 list、map 等其他容器打下扎实基础～咱们下一篇，继续从代码出发，向 “机器视角” 更进一步～
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