C++标准库容器 vector map使用示例

P粉602998670

发布时间：2025-08-29 08:54:02

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原创

C++标准库中vector和map是核心容器，vector提供连续存储的动态数组，支持高效随机访问和自动扩容，适合频繁遍历和元素数量不确定的场景；map基于红黑树实现，提供自动按键排序的键值对存储，查找、插入、删除操作时间复杂度为O(log n)，适用于需要有序数据结构的场景。两者分别在性能和有序性上具有优势，是C++数据管理的基础工具。

c++标准库容器 vector map使用示例

C++标准库中的

vector

和

map

是两种基石级的容器，它们分别提供了动态数组和键值对存储的功能，几乎是每个C++开发者日常工作中不可或缺的工具。简单来说，

vector

就像一个可以自动扩容的数组，适合存储同类型元素的序列；而

map

则是一个基于键（key）来查找值（value）的字典，并且它会自动保持键的有序性。理解并熟练运用它们，是编写高效、可维护C++代码的关键一步。

std::vector

和

std::map

使用示例

在我看来，C++标准库的容器设计得非常精妙，尤其是

vector

和

map

，它们几乎覆盖了我们日常编程中大部分数据组织的需求。

vector

提供了一种连续存储的方式，这对于性能敏感的场景非常有利；而

map

则以其键值对的直观性，让数据管理变得异常清晰。

std::vector

：动态数组的瑞士军刀

立即学习“C++免费学习笔记（深入）”；

std::vector

本质上就是一个动态数组，它最吸引人的地方在于可以根据需要自动调整大小。当你需要一个元素序列，并且不确定最终会有多少个元素时，

vector

几乎是第一选择。

#include 
#include 
#include 
#include  // 即使是vector的例子，也可能需要其他头文件

int main() {
    // 声明一个存储整数的vector
    std::vector numbers;

    // 添加元素到vector的末尾
    numbers.push_back(10);
    numbers.push_back(20);
    numbers.push_back(30);
    numbers.push_back(40);

    // 访问元素
    std::cout << "第一个元素: " << numbers[0] << std::endl; // 可能会越界，不检查边界
    std::cout << "第二个元素 (安全访问): " << numbers.at(1) << std::endl; // at()会进行边界检查，越界抛出异常

    // 遍历vector
    std::cout << "所有元素 (范围for循环): ";
    for (int num : numbers) {
        std::cout << num << " ";
    }
    std::cout << std::endl;

    // 使用迭代器遍历
    std::cout << "所有元素 (迭代器): ";
    for (std::vector::iterator it = numbers.begin(); it != numbers.end(); ++it) {
        std::cout << *it << " ";
    }
    std::cout << std::endl;

    // 获取vector大小和容量
    std::cout << "Vector大小: " << numbers.size() << std::endl;
    std::cout << "Vector容量: " << numbers.capacity() << std::endl; // 容量通常 >= 大小

    // 插入元素到指定位置 (效率较低，因为可能需要移动后续所有元素)
    numbers.insert(numbers.begin() + 2, 25); // 在索引2处插入25
    std::cout << "插入25后的Vector: ";
    for (int num : numbers) {
        std::cout << num << " ";
    }
    std::cout << std::endl;

    // 删除元素 (同样效率较低)
    numbers.erase(numbers.begin() + 0); // 删除第一个元素
    std::cout << "删除第一个元素后的Vector: ";
    for (int num : numbers) {
        std::cout << num << " ";
    }
    std::cout << std::endl;

    // 清空vector
    numbers.clear();
    std::cout << "清空后Vector大小: " << numbers.size() << std::endl;

    // 预留空间，避免频繁重新分配
    std::vector names;
    names.reserve(100); // 预留100个string的空间
    for (int i = 0; i < 50; ++i) {
        names.push_back("Name_" + std::to_string(i));
    }
    std::cout << "预留空间后Vector容量: " << names.capacity() << std::endl;

    return 0;
}

std::map

：有序键值对的典范

std::map

提供了一种将键（Key）映射到值（Value）的机制，而且它最大的特点就是所有元素都会根据键自动排序。这意味着当你遍历

map

时，你会得到一个按键升序排列的序列。这在需要快速查找、并且保持数据有序的场景下非常有用。

#include 
#include 
#include 
// vector的例子已经包含了iostream和string

// main函数可以拆分或合并，这里为了演示方便，放在同一个main函数里
// 实际使用中，通常会封装在不同的函数或类中

// int main() { // 如果是单独的map例子，可以这样开始
    // 声明一个存储string键和int值的map
    std::map ages;

    // 插入元素
    ages["Alice"] = 30; // 如果键不存在，则插入；如果存在，则更新值
    ages["Bob"] = 25;
    ages.insert({"Charlie", 35}); // 另一种插入方式
    ages.insert(std::make_pair("David", 28)); // 也可以用std::make_pair

    // 访问元素
    std::cout << "Alice的年龄: " << ages["Alice"] << std::endl;
    // 注意：使用[]访问一个不存在的键会默认插入一个新元素，其值会被默认初始化
    // std::cout << "Eve的年龄: " << ages["Eve"] << std::endl; // 此时map中会多一个键为"Eve"，值为0的元素

    // 安全访问元素，检查键是否存在
    auto it_bob = ages.find("Bob");
    if (it_bob != ages.end()) {
        std::cout << "Bob的年龄 (find): " << it_bob->second << std::endl;
    } else {
        std::cout << "Bob不存在于map中。" << std::endl;
    }

    auto it_frank = ages.find("Frank");
    if (it_frank != ages.end()) {
        std::cout << "Frank的年龄 (find): " << it_frank->second << std::endl;
    } else {
        std::cout << "Frank不存在于map中。" << std::endl;
    }

    // 遍历map (按键的升序)
    std::cout << "Map中的所有元素: " << std::endl;
    for (const auto& pair : ages) { // 推荐使用const auto&
        std::cout << "  键: " << pair.first << ", 值: " << pair.second << std::endl;
    }

    // 删除元素
    ages.erase("Bob");
    std::cout << "删除Bob后Map中的所有元素: " << std::endl;
    for (const auto& pair : ages) {
        std::cout << "  键: " << pair.first << ", 值: " << pair.second << std::endl;
    }

    // 获取map大小
    std::cout << "Map大小: " << ages.size() << std::endl;

    return 0;
// } // 如果是单独的map例子，这里结束

为什么

std::vector

是C++中动态数组的首选？

在我多年的C++开发经验里，

std::vector

几乎是我每次需要一个动态大小的同类型元素集合时的首选。它不仅仅是“能用”，更是因为它的设计哲学和底层实现，使其在大多数场景下都表现出色。

首先，

vector

最核心的优势在于它的连续内存存储。这意味着

vector

中的所有元素在内存中是紧挨着存放的。这种布局对现代CPU的缓存机制极其友好。当你访问

vector

中的一个元素时，CPU很可能会把这个元素以及它周围的几个元素一起加载到缓存中，这样你接下来访问相邻元素时，就能以极快的速度从缓存中获取，而不是从慢速的主内存中读取。这对于遍历操作或者需要频繁访问相邻元素的算法来说，性能提升是巨大的。相比之下，像

std::list

这种链表结构，元素在内存中是分散的，每次访问都可能导致缓存失效，从而性能下降。

其次，

vector

提供了O(1)的随机访问能力。因为是连续存储，给定一个索引，

vector

可以直接通过简单的指针算术计算出元素的内存地址，这和原生数组的访问速度是一样的。无论是通过

[]

操作符还是

at()

方法，都能实现常数时间访问。

再者，

vector

的自动内存管理极大地简化了开发。你不再需要手动

new

和

delete

内存，也不用担心内存泄漏。当你

push_back

一个元素时，如果当前容量不足，

vector

会自动重新分配一块更大的内存，并将现有元素拷贝（或移动）过去，然后释放旧内存。虽然重新分配是一个相对昂贵的操作，但

vector

通常会以指数级增长容量（比如每次翻倍），这使得均摊下来，

push_back

操作的复杂度依然是O(1)。

当然，

vector

并非没有它的“脾气”。比如，频繁在中间插入或删除元素效率会比较低，因为这需要移动大量后续元素。当存储的元素是复杂对象时，拷贝或移动的成本也需要考虑。但总的来说，对于大多数需要动态数组的场景，

vector

的优点远超其缺点，是名副其实的“瑞士军刀”。

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// 更多vector操作示例
#include 
#include 
#include  // 用于std::sort

struct MyObject {
    int id;
    std::string name;

    MyObject(int i, const std::string& n) : id(i), name(n) {
        // std::cout << "MyObject(" << id << ") 构造" << std::endl;
    }
    MyObject(const MyObject& other) : id(other.id), name(other.name) {
        // std::cout << "MyObject(" << id << ") 拷贝构造" << std::endl;
    }
    MyObject(MyObject&& other) noexcept : id(other.id), name(std::move(other.name)) {
        // std::cout << "MyObject(" << id << ") 移动构造" << std::endl;
    }
    MyObject& operator=(const MyObject& other) {
        if (this != &other) {
            id = other.id;
            name = other.name;
            // std::cout << "MyObject(" << id << ") 拷贝赋值" << std::endl;
        }
        return *this;
    }
    MyObject& operator=(MyObject&& other) noexcept {
        if (this != &other) {
            id = other.id;
            name = std::move(other.name);
            // std::cout << "MyObject(" << id << ") 移动赋值" << std::endl;
        }
        return *this;
    }
    ~MyObject() {
        // std::cout << "MyObject(" << id << ") 析构" << std::endl;
    }

    void print() const {
        std::cout << "{ID: " << id << ", Name: " << name << "} ";
    }
};

void print_vector_objects(const std::vector& vec) {
    for (const auto& obj : vec) {
        obj.print();
    }
    std::cout << std::endl;
}

// int main() { // 假设在之前的main函数之后继续
    std::vector objects;
    objects.reserve(5); // 预留空间，避免频繁重新分配

    std::cout << "--- Emplace_back vs Push_back ---" << std::endl;
    // emplace_back 直接在vector内部构造对象，避免一次拷贝或移动
    objects.emplace_back(1, "Alpha"); // 直接构造
    objects.push_back(MyObject(2, "Beta")); // 构造临时对象，然后移动到vector中 (C++11后通常是移动)
    objects.emplace_back(3, "Gamma");
    print_vector_objects(objects);

    std::cout << "\n--- 调整大小 (resize) ---" << std::endl;
    objects.resize(5, MyObject(0, "Default")); // 调整大小到5，新元素用默认值填充
    print_vector_objects(objects);
    objects.resize(2); // 缩小大小，多余的元素被析构
    print_vector_objects(objects);

    std::cout << "\n--- 排序 ---" << std::endl;
    objects.emplace_back(5, "Epsilon");
    objects.emplace_back(4, "Delta");
    std::sort(objects.begin(), objects.end(), [](const MyObject& a, const MyObject& b) {
        return a.id < b.id;
    });
    print_vector_objects(objects);

    std::cout << "\n--- 迭代器失效示例 ---" << std::endl;
    std::vector nums = {1, 2, 3, 4, 5};
    auto it = nums.begin() + 2; // 指向3
    std::cout << "原始Vector: ";
    for(int n : nums) std::cout << n << " ";
    std::cout << std::endl;

    // 插入操作可能导致迭代器失效
    nums.insert(nums.begin(), 0); // 在开头插入，所有迭代器都可能失效
    // std::cout << "失效的迭代器指向: " << *it << std::endl; // 此时it可能指向错误位置或野指针

    // 正确的做法是重新获取迭代器
    it = nums.begin() + 3; // 重新指向新的3 (原先的2)
    std::cout << "插入后Vector: ";
    for(int n : nums) std::cout << n << " ";
    std::cout << std::endl;
    std::cout << "重新获取的迭代器指向: " << *it << std::endl;

    // 清空并释放内存
    std::cout << "\n--- 清空并释放内存 (shrink_to_fit) ---" << std::endl;
    std::vector big_vec;
    big_vec.reserve(100);
    for(int i = 0; i < 10; ++i) big_vec.push_back(i);
    std::cout << "初始容量: " << big_vec.capacity() << std::endl;
    big_vec.clear();
    std::cout << "清空后容量: " << big_vec.capacity() << std::endl; // 容量通常不变
    big_vec.shrink_to_fit(); // 请求将容量缩小到与大小匹配
    std::cout << "shrink_to_fit后容量: " << big_vec.capacity() << std::endl; // 容量现在可能为0

    // return 0; // 如果是单独的main函数
// }

std::map

与

std::unordered_map

：如何选择合适的键值对容器？

这是个很经典的问题，也是我在设计系统时经常需要权衡的。

std::map

和

std::unordered_map

都提供了键值对的存储功能，但它们底层的实现机制截然不同，这直接导致了它们在性能特性和适用场景上的巨大差异。

std::map

：有序的魅力与对数时间复杂度

std::map

的底层通常是一个红黑树（一种自平衡二叉搜索树）。这种数据结构保证了

map

中的元素总是按照键的严格弱序进行排列。

优点：
- 自动排序： 这是
```
map
```
  最显著的特点。当你需要按键顺序遍历元素，或者需要获取某个键范围内的元素时，
```
map
```
  是理想选择。
- 稳定的性能： 插入、查找和删除操作的时间复杂度都是O(log N)，其中N是
```
map
```
  中元素的数量。这个性能是稳定的，不会出现像哈希表那样最坏情况下的性能退化。
- 无需哈希函数： 键类型只需要支持比较操作（
```
operator<
```
  ），不需要提供哈希函数。
缺点：
- 相对较慢： 相比于
```
unordered_map
```
  平均O(1)的性能，O(log N)在N很大时会显得慢一些。
- 内存开销： 每个节点都需要存储键、值以及指向父节点和子节点的指针，这会比
```
unordered_map
```
  有更大的内存开销。
- 非连续内存： 节点在内存中是分散的，可能导致缓存效率不高。

std::unordered_map

：速度的追求与平均常数时间复杂度

std::unordered_map

的底层实现是哈希表。它通过一个哈希函数将键映射到表中的一个桶（bucket），然后在这个桶中查找值。

优点：
- 极快的平均性能： 插入、查找和删除操作的平均时间复杂度是O(1)。在数据量大、对查找速度要求极高的场景下，
```
unordered_map
```
  通常表现更优。
- 更低的内存开销（相对而言）： 虽然也有一些内部结构，但通常比
```
map
```
  的每个节点开销小。
缺点：
- 无序性： 元素在
```
unordered_map
```
  中没有固定的顺序，遍历结果是不确定的。
- 最坏情况： 如果哈希函数设计不当，或者遇到大量哈希冲突，所有元素都映射到同一个桶，那么操作的复杂度可能退化到O(N)，性能会急剧下降。
- 需要哈希函数： 键类型必须提供一个可用的哈希函数（
```
std::hash
```
  特化或自定义）。对于自定义类型，你需要自己提供一个哈希函数。

如何选择？

我的经验是，选择哪个容器，主要看你的核心需求：

是否需要键的有序性？ 如果你需要按键排序遍历，或者需要查找某个范围内的键，那么
```
std::map
```
是你的不二之选。比如，你需要按日期顺序存储事件，或者按字母顺序存储用户名字典。
是否对查找/插入速度有极致要求，且不关心顺序？ 如果你的主要操作是快速查找、插入和删除，并且顺序无关紧要，那么
```
std::unordered_map
```
通常会提供更好的平均性能。比如，统计词频、缓存数据等。
键的类型是否复杂？ 对于自定义类型作为键，
```
std::unordered_map
```
需要你提供一个合适的哈希函数，这可能需要额外的工作。而
```
std::map
```
只需要重载
```
operator<
```
。

通常情况下，如果对性能没有特别严苛的要求，并且数据量不是天文数字，

std::map

的O(log N)性能已经足够好，而且其有序性常常能带来便利。但如果你真的在追求极致的查找速度，并且能够很好地管理哈希冲突，

std::unordered_map

无疑是更强大的工具。

// std::map 和 std::unordered_map 示例
#include 
#include 
#include 
#include 

struct Person {
    int id;
    std::string name;

    // 对于std::map，需要定义 operator<
    bool operator<(const Person& other) const {
        return id < other.id;
    }

    // 对于std::unordered_map，需要定义 operator==
    bool operator==(const Person& other) const {
        return id == other.id;
    }
};

// 为std::unordered_map 定义 Person 的哈希函数
namespace std {
    template <>
    struct

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