本文将详细介绍STL容器之vector的用法，并对相关底层原理说明。
首先，使用vector时需包含头文件：
#include <vector>
vector本质是类模板，可以存储任何类型的数据。数组在声明前需要加上数据类型，而vector则通过模板参量设定类型。
比如，声明一个int型的vector数组。
vector<int> arr1; //一个空数组
vector<int> arr2 {1, 2, 3, 4, 5}; //包含1、2、3、4、5五个变量
vector<int> arr3(4); //开辟4个空间，值默认为0
vector<int> arr4(5, 3); //5个值为3的数组
vector<int> arr5(arr4); //将arr4的所有值复制进去，和arr4一样
vector<int> arr6(arr4.begin(), arr4.end()); //将arr4的值从头开始到尾复制
vector<int> arr7(arr4.rbegin(), arr4.rend()); //将arr4的值从尾到头复制
iterators（迭代器）
| 名字 | 描述 |
|---|---|
| begin | 返回指向容器中第一个元素的迭代器。 |
| end | 返回指向容器最后一个元素所在位置后一个位置的迭代器 |
| rbegin | 返回容器逆序的第一个元素的迭代器 |
| rend | 返回容器逆序的最后一个元素的前一个位置的迭代器 |
| cbegin | 和begin()功能相同，在其基础上增加了 const 属性，不能用于修改元素。 |
| cend | 和end()功能相同，在其基础上增加了 const 属性，不能用于修改元素。 |
| crbegin | 和rbegin()功能相同，在其基础上增加了 const 属性，不能用于修改元素。 |
| crend | 和rend()功能相同，在其基础上增加了 const 属性，不能用于修改元素。 |
Capacity（容量）
| 名字 | 描述 |
|---|---|
| size | 返回实际元素的个数 |
| capacity | 返回总共可以容纳的元素个数 |
| max_size | 返回元素个数的最大值。这个值非常大，一般是2^32-1 |
| empty | 判断vector是否为空，为空返回true否则false |
| resize | 改变实际元素的个数，对应于size |
| reserve | 增加容器的容量，控制vector的预留空间 |
| shrink_to_fit | 减少capacity到size的大小，即减小到size的大小 |
Element access（元素访问）
| 名字 | 描述 |
|---|---|
| operator[] | vector可以和数组一样用[]访问元素 |
| at | vector.at(i)等同于vector[i]，访问数组下表的元素 |
| front | 返回第一个元素 |
| back | 返回最后一个元素 |
| data | 返回指向容器中第一个元素的指针 |
Modifiers（修改器）
| 名字 | 描述 |
|---|---|
| push_back | 在容器的尾部插入元素 |
| pop_back | 删除最后一个元素 |
| insert | 插入元素 |
| erase | 删除元素 |
| clear | 清除容器内容，size=0，存储空间不变 |
| swap | 交换两个元素的所有内容 |
| assign | 用新元素替换原有内容。 |
| emplace | 插入元素，和insert实现原理不同，速度更快 |
| emplace_back | 在容器的尾部插入元素，和push_back不同 |
下面将讲解vector的具体用法
//迭代器：vector<int>::iterator
for (vector<int>::iterator it = arr.begin(); it != arr.end(); it++)
{
cout << *it << endl;
}
//迭代器：vector<int>::reverse_iterator
for (vector<int>::reverse_iterator it = arr.rbegin(); it != arr.rend(); it++)
{
cout << *it << endl;
}
和数组类似，从下标0开始遍历，而不到size的大小。
for (int i = 0; i < arr.size(); i++)
{
cout << arr[i] << endl;
}
C++11的特性，范围for，遍历元素十分方便。
for (auto num : arr)
{
cout << num << endl;
}
顾名思义，size表示当前有多少个元素，capacity是可容纳的大小。因为vector是顺序存储的，那么和数组一样，有一个初始容量，在vector里就是capacity。capacity必然大于等于size，每次扩容时会改变，具体大小和vector底层实现机制有关。
max_size是可存储的最大容量，和实际的编译器、系统有关，使用的比较少。
empty很好理解，判断vector是否为空，其实就是判断size是否等于0。定义vector时设定了大小、resize修改大小等操作，vector都不为空；clear后，size=0，那么empty判断就为空。
resize改变size的大小，而reserve改变capacity的大小，shrink_to_fit减小capacity到size
vector<int> arr;
arr.resize(4);
arr.reserve(6);
cout << arr.size() << " " << arr.capacity() << endl;
cout << "##########################" << endl;
arr.shrink_to_fit();
cout << arr.size() << " " << arr.capacity() << endl;
vector<int> arr;
for (int i = 0; i < 5; i++)
{
arr.push_back(i);
}
for (int i = 0; i < 5; i++)
{
arr.pop_back();
}
arr.emplace(10);
两者的差别在于底层实现的机制不同：push_back将这个元素拷贝或者移动到容器中（如果是拷贝的话，事后会自行销毁先前创建的这个元素）；而 emplace_back 在实现时，则是直接在容器尾部创建这个元素，省去了拷贝或移动元素的过程。所以emplace_back的速度更快。
insert有三种用法：
在指定位置插入值为val的元素。
//在arr的头部插入值为10的元素
vector<int> arr;
arr.insert(arr.begin(), 10);
在指定位置插入n个值为val的元素
//从arr的头部开始，连续插入3个值为10的元素
vector<int> arr;
arr.insert(arr.begin(), 3, 10);
在指定位置插入区间[start, end]的所有元素
//从arr的头部开始，连续插入arrs区间[begin, end]的所有元素
vector<int> arr;
vector<int> arrs = { 1, 2, 3, 4, 5 };
arr.insert(arr.begin(), arrs.begin(), arrs.end());
emplace和insert同为插入元素，不过emplace只能插入一个元素：
//在arr的头部插入值为10的元素
vector<int> arr;
arr.emplace(arr.begin(), 10);
insert和emplace的区别和上面类似，就是一个是拷贝和复制的过程，而另一个则是直接创建一个新元素。
erase通过迭代器删除某个或某个范围的元素，并返回下一个元素的迭代器。
vector<int> arr{1, 2, 3, 4, 5};
//删除arr开头往后偏移两个位置的元素，即arr的第三个元素，3
arr.erase(arr.begin() + 2);
//删除arr.begin()到arr.begin()+2之间的元素，删除两个;即删除arr.begin()而不到arr.begin()+2的元素
arr.erase(arr.begin(), arr.begin() + 2);
assign修改vector，和insert操作类似，不过insert是从尾部插入，而assign则将整个vector改变。
将整个vector修改为n个值为val的容器
//将arr修改为3个值为5的vector。
vector<int> arr = {5, 4, 3, 2, 1};
arr.assign(3, 10);
将整个vector修改为某个容器[start, end]范围内的元素
//将arr修改为范围[arrs.begin, arrs.end]内的元素
vector<int> arr = {5, 4, 3, 2, 1};
vector<int> arrs = { 1, 2, 3, 4, 5 };
arr.assign(arrs.begin(), arrs.end());
用数组的值进行范围修改
//将arr替换为数组arrs
vector<int> arr = {5, 4, 3, 2, 1};
int arrs[5] = { 1, 2, 3, 4, 5 };
arr.assign(arrs, arrs + 5);
swap将两个vector进行交换。
vector<int> arr = {5, 4, 3, 2, 1};
vector<int> arrs = { 1, 2, 3, 4, 5 };
arr.swap(arrs);
clear清空整个vector，size变为0，但空间仍然存在。
arr.clear();
实际上，二维vector其实就是嵌套定义vector，那么对其进行操作我们可以从嵌套的vector得到单层的vector，就可以调用其方法了。
vector<vector<int>> arr; //定义一个空的二维vector
vector<vector<int>> arr(5, vector<int>(3, 1)); //定义一个5行3列值全为1的二维vector
和二维数组一样通过 [] [] 访问即可。
for (int i = 0; i < arr.size(); i++)
{
for (int j = 0; j < arr[0].size(); j++)//注意如果arr为空不可直接arr[0]
{
cout << arr[i][j] << endl;
}
}
或者用范围for：
for (auto nums : arr)
{
for (auto num : nums)
{
cout << num << endl;
}
}
vector<vector<int>> arr;
arr.resize(5);
for (auto num : arr)
{
num.resize(3);
}
前面我们提到，vector作为容器有着动态数组的功能，当加入的数据大于vector容量(capacity)时会自动扩容，系统会自动申请一片更大的空间，把原来的数据拷贝过去，释放原来的内存空间。
看以下一段代码：
vector<int> arr;
for (int i = 0; i < 20; i++)
{
arr.push_back(i);
cout << arr.size() << " " << arr.capacity() << endl;
}
在VS中运行以上代码测试扩容，发现：
可以看到，理论上每次都是1.5扩容，但是遇到一些特殊情况如：0、1或者一次性插入多个元素时，也许1.5扩容就无法满足了。其实很简单，按照我们自己的思路，这无非是程序健壮性的体现，加一句判断语句即可。
看如下VS中vector扩容的源码：
size_type _Calculate_growth(const size_type _Newsize) const {
const size_type _Oldcapacity = capacity();
const auto _Max = max_size();
//扩容后将超出max_size，返回max_size
if (_Oldcapacity > _Max - _Oldcapacity / 2) {
return _Max;
}
//采取1.5倍扩容
const size_type _Geometric = _Oldcapacity + _Oldcapacity / 2;
//扩容后仍然小于新加入元素后的大小，以新加入元素后的大小为准
if (_Geometric < _Newsize) {
return _Newsize;
}
return _Geometric;
}
由此可见，确实是以1.5倍扩容，并且还有需要判断：是否超过max_size，以及是否小于newsize。
而其实，扩容时在插入时元素需要进行判断的，所以在vector的方法如：push_back、insert中都有用到扩容。
首先，在VS中，push_back有两个重载函数。_Ty就是vector模板的类型，如vector< int >中的int。发现push_back其实是调用了emplace_back成员函数。
void push_back(const _Ty& _Val) {
emplace_back(_Val);
}
void push_back(_Ty&& _Val) {
emplace_back(_STD move(_Val));
}
接着，进入emplace_back函数。判断capacity和size是否相等，如果相等就进入_Emplace_reallocate函数。
tips:对于size和capacity，代码里通过这三个指针实现内存管理。
template <class... _Valty>
decltype(auto) emplace_back(_Valty&&... _Val) {
auto& _My_data = _Mypair._Myval2;
pointer& _Mylast = _My_data._Mylast;
if (_Mylast != _My_data._Myend) {
return _Emplace_back_with_unused_capacity(_STD forward<_Valty>(_Val)...);
}
_Ty& _Result = *_Emplace_reallocate(_Mylast, _STD forward<_Valty>(_Val)...);
#if _HAS_CXX17
return _Result;
#else // ^^^ _HAS_CXX17 ^^^ // vvv !_HAS_CXX17 vvv
(void) _Result;
#endif // _HAS_CXX17
}
我们进入_Emplace_reallocate函数。在这函数里，首先会检查size是否等于max_size，超过最大值时触发错误。接着，就看到了之前提到的扩容函数 _Calculate_growth，修改capacity的值。
template <class... _Valty>
pointer _Emplace_reallocate(const pointer _Whereptr, _Valty&&... _Val) {
_Alty& _Al = _Getal();
auto& _My_data = _Mypair._Myval2;
pointer& _Myfirst = _My_data._Myfirst;
pointer& _Mylast = _My_data._Mylast;
_STL_INTERNAL_CHECK(_Mylast == _My_data._Myend);
const auto _Whereoff = static_cast<size_type>(_Whereptr - _Myfirst);
const auto _Oldsize = static_cast<size_type>(_Mylast - _Myfirst);
if (_Oldsize == max_size()) {
_Xlength();
}
const size_type _Newsize = _Oldsize + 1;
const size_type _Newcapacity = _Calculate_growth(_Newsize);
const pointer _Newvec = _Al.allocate(_Newcapacity);
const pointer _Constructed_last = _Newvec + _Whereoff + 1;
pointer _Constructed_first = _Constructed_last;
_TRY_BEGIN
_Alty_traits::construct(_Al, _Unfancy(_Newvec + _Whereoff), _STD forward<_Valty>(_Val)...);
_Constructed_first = _Newvec + _Whereoff;
if (_Whereptr == _Mylast) { // at back, provide strong guarantee
_Umove_if_noexcept(_Myfirst, _Mylast, _Newvec);
} else { // provide basic guarantee
_Umove(_Myfirst, _Whereptr, _Newvec);
_Constructed_first = _Newvec;
_Umove(_Whereptr, _Mylast, _Newvec + _Whereoff + 1);
}
_CATCH_ALL
_Destroy(_Constructed_first, _Constructed_last);
_Al.deallocate(_Newvec, _Newcapacity);
_RERAISE;
_CATCH_END
_Change_array(_Newvec, _Newsize, _Newcapacity);
return _Newvec + _Whereoff;
}
vector在项目或者刷题中有大量的运用，熟练掌握他们的用法是必不可少的一步。同时，vector扩容的机制就是面试常考的题目，理解其源码对我们编写代码也有很大益处。