C++ std::vector 基础与遍历

std::vector 是 C++ 标准库中的动态数组，它允许在运行时调整大小，元素在内存中连续存放。

std::vector 核心知识

1. 头文件: #include <vector>
2. 定义:
   • std::vector<int> v1; // 空vector
   • std::vector<int> v2 = {1, 2, 3}; // 初始化 (C++11 列表初始化)
   • std::vector<int> v3(10); // 10个元素，默认初始化为0 (对于基本类型)
   • std::vector<int> v4(5, 100); // 5个元素，都为100
3. 主要特性:
   • 动态大小: 自动管理内存，可增删元素。
   • 连续存储: 元素内存连续，支持 O(1) 随机访问。
   • 高效末尾操作: push_back(), pop_back() 通常 O(1) 摊还时间。
   • 低效中间操作: insert(), erase() 通常 O(N)。
4. 常用成员函数:
   • push_back(val): 末尾添加元素。
   • pop_back(): 删除末尾元素。
   • size(): 元素数量 (类型为 size_t)。
   • empty(): 是否为空。
   • clear(): 清空所有元素。
   • at(idx): 访问元素（带边界检查，抛出 std::out_of_range 异常，安全）。
   • operator[](idx): 访问元素（不带边界检查，速度快，不安全）。
   • front(): 第一个元素。
   • back(): 最后一个元素。
   • begin(), end(): 获取正向迭代器。
   • rbegin(), rend(): 获取反向迭代器。
   • cbegin(), cend(), crbegin(), crend(): 获取常量迭代器 (C++11+)。

嵌套 std::vector (例如，2D 数组)

嵌套的 std::vector 常用于表示多维数据结构，例如 2D 数组（矩阵）。std::vector<std::vector<int>> 的使用方式与普通 vector 类似，只是多了一层维度。

• 访问元素: matrix[row_index][col_index]
• 获取行数: matrix.size()
• 获取列数 (假定所有行等长): matrix[0].size() (请先检查 matrix.empty() 和 matrix[0].empty() 以防越界)

#include <iostream>
#include <vector>

void printAndModifyMatrix(std::vector<std::vector<int>>& m) {
    std::cout << "--- 原始矩阵 ---" << std::endl;
    // 遍历并打印
    for (const auto& row : m) { // row 是 const std::vector<int>&
        for (int val : row) {   // val 是 int
            std::cout << val << " ";
        }
        std::cout << std::endl;
    }

    // 修改第一个元素
    if (!m.empty() && !m[0].empty()) {
        m[0][0] = 99;
        std::cout << "\n--- 修改后矩阵 ---" << std::endl;
        for (const auto& row : m) {
            for (int val : row) {
                std::cout << val << " ";
            }
            std::cout << std::endl;
        }
    }
}

int main() {
    std::vector<std::vector<int>> myMatrix = {{1, 2, 3}, {4, 5, 6}};
    printAndModifyMatrix(myMatrix); // 传入引用，允许函数修改原矩阵
    return 0;
}
/*
Output:
--- 原始矩阵 ---
1 2 3
4 5 6

--- 修改后矩阵 ---
99 2 3
4 5 6
*/

std::vector 遍历方式

1. 基于范围的 for 循环 (Range-based for loop) - 推荐 (C++11+)

特点: 最简洁、安全，适用于绝大多数只读或元素独立的修改场景。不能直接获取索引，不应在循环内修改容器大小（添加或删除元素）。

#include <iostream>
#include <vector>

int main() {
    std::vector<int> numbers = {10, 20, 30};

    // 只读访问
    std::cout << "只读访问: ";
    for (int num : numbers) { // num 是 numbers 中元素的副本
        std::cout << num << " "; // 10 20 30
    }
    std::cout << std::endl;

    // 修改元素
    std::cout << "修改后: ";
    for (int& num : numbers) { // 使用引用 'int&' 才能修改原元素
        num *= 2;
    }
    for (int num : numbers) {
        std::cout << num << " "; // 20 40 60
    }
    std::cout << std::endl;
    return 0;
}

2. 基于索引的循环 (Index-based loop)

特点: 传统方式，当需要知道元素索引时使用，或者需要跳跃访问时。

#include <iostream>
#include <vector>
#include <string> // For std::string

int main() {
    std::vector<std::string> names = {"Alice", "Bob", "Charlie"};
    for (size_t i = 0; i < names.size(); ++i) { // 推荐使用 size_t 类型作为索引
        std::cout << "Name at " << i << ": " << names[i] << std::endl;
    }
    return 0;
}

3. 使用迭代器 (Iterator-based loop)

特点: 最通用、最灵活，适用于所有标准容器。可进行复杂操作（如循环内安全地插入/删除元素），但需注意迭代器失效问题。

#include <iostream>
#include <vector>

int main() {
    std::vector<double> scores = {1.1, 2.2, 3.3};

    // 传统迭代器遍历
    std::cout << "传统迭代器: ";
    for (std::vector<double>::iterator it = scores.begin(); it != scores.end(); ++it) {
        std::cout << *it << " "; // 解引用迭代器获取元素
    }
    std::cout << std::endl;

    // 使用 auto 简化 (C++11+)
    // cbegin()/cend() 返回 const_iterator，用于只读访问，更安全。
    std::cout << "使用 auto 和 const 迭代器: ";
    for (auto it = scores.cbegin(); it != scores.cend(); ++it) {
        std::cout << *it << " ";
    }
    std::cout << std::endl;
    return 0;
}

4. 使用反向迭代器 (Reverse Iterator)

特点: 从 vector 末尾向前遍历。

#include <iostream>
#include <vector>

int main() {
    std::vector<int> data = {1, 2, 3};
    std::cout << "反向遍历: ";
    for (auto rit = data.rbegin(); rit != data.rend(); ++rit) { // rbegin()/rend() 返回反向迭代器
        std::cout << *rit << " "; // 3 2 1
    }
    std::cout << std::endl;
    return 0;
}

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推荐使用场景总结:

• 日常遍历 (读或独立修改): 基于范围的 for 循环 (最简洁、安全)。
• 需要元素索引: 基于索引的 for 循环。
• 复杂操作/通用性 (例如循环中增删元素): 迭代器循环 (需谨慎处理迭代器失效)。