1. 底层实现

std::vector 是C++标准库中的一个模版类，用于动态数组。它的底层实现可以理解为一个动态分配的连续内存块，当需要更多空间时，内存会自动扩展。

• 内存分配：vector 使用一块连续的内存存储元素。当插入新元素导致容量不足时，vector 会分配一块更大的内存（通常是当前容量的两倍），然后将现有元素复制过去，并释放旧的内存。
• 动态调整：为了高效增加容量，vector 使用一个称为“几何增长”的策略，即每次扩容会增加当前容量的倍数，而非线性增加。这使得插入操作的摊销时间复杂度为 O(1)。

2. 缺点和比较

在讨论vector的缺点时，可以和其他类似的容器（如std::deque、std::list）对比：

• std::vector
  • 缺点：
    • 内存需要连续，因此在大容量时，可能难以找到足够的一块连续内存，导致内存分配失败。
    • 插入和删除操作在非尾部位置有较高的开销，需要移动所有后续元素，时间复杂度为 O(n)。
  • 对比：std::deque 允许在两端快速插入/删除，没有连续内存的限制；std::list 是双向链表，可以在任意位置快速插入/删除，但不支持随机访问。

3. 优点和使用场景

• 优点：

  • 支持随机访问（访问任何元素的时间复杂度为 O(1)），适合需要频繁访问元素的场景。
  • 自动管理内存，支持动态增长，且摊销的插入时间复杂度为 O(1)。
  • 提供了一整套的STL算法支持，使用非常方便。

• 使用场景：

  • 适合需要频繁访问和遍历元素的场景，比如实现一个数组、栈等。
  • 适用于元素插入和删除主要发生在容器末尾的情况，因为在末尾进行操作的复杂度是 O(1)。

4. 补充和代码示例

以下是关于 std::vector 的一些常见操作示例：

#include <iostream>
#include <vector>

int main() {
    // 定义一个 vector 并初始化
    std::vector<int> vec = {1, 2, 3, 4, 5};

    // 向 vector 尾部添加元素
    vec.push_back(6);

    // 插入元素
    vec.insert(vec.begin() + 2, 10); // 在第三个位置插入 10

    // 删除元素
    vec.erase(vec.begin() + 1); // 删除第二个位置的元素

    // 访问元素
    for (size_t i = 0; i < vec.size(); ++i) {
        std::cout << "Element at index " << i << ": " << vec[i] << std::endl;
    }

    // 使用迭代器访问元素
    for (auto it = vec.begin(); it != vec.end(); ++it) {
        std::cout << "Element: " << *it << std::endl;
    }

    // 当前容量和大小
    std::cout << "Size: " << vec.size() << ", Capacity: " << vec.capacity() << std::endl;

    // 缩减内存
    vec.shrink_to_fit();
    std::cout << "Size after shrink: " << vec.size() << ", Capacity after shrink: " << vec.capacity() << std::endl;

    return 0;
}

总结

• 底层：std::vector 是一个动态数组，内存由动态分配的连续内存块管理。
• 缺点：
  • 内存必须连续，可能导致大容量时内存分配失败。
  • 中间插入/删除操作开销较大。
• 优点：
  • 支持随机访问。
  • 动态增长，摊销插入时间复杂度为 O(1)。
• 使用场景：
  • 适合频繁访问和遍历，以及主要在末尾进行插入/删除操作的场景。