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【C语言基础】C++ 中的 `vector` 及其 C 语言实现详解

news 来源：原创 2025/6/15 11:27:08

一、C++ 中的 `vector`：动态数组的核心特性

1. 基本概念
vector 是 C++ 标准模板库（STL）中的动态数组容器，支持自动扩容、高效元素访问和丰富的操作接口。其核心特性包括：

动态内存管理：自动调整容量，避免手动管理内存。
连续存储：元素在内存中连续存放，支持随机访问（时间复杂度 O(1)）。
类型安全：通过模板实现，支持任意数据类型。

2. 核心操作

初始化与遍历

#include <vector>
std::vector<int> vec = {1, 2, 3}; // 初始化
for (int num : vec) { /* 范围循环 */ }

插入与删除

vec.push_back(4);    // 尾部插入
vec.pop_back();      // 尾部删除
vec.insert(vec.begin() + 1, 5); // 中间插入
vec.erase(vec.begin());         // 中间删除

容量管理

vec.reserve(100);    // 预分配容量
vec.shrink_to_fit(); // 释放多余内存

3. 性能优化

扩容策略：默认容量翻倍增长，可通过 reserve 减少扩容次数。
移动语义（C++11+）：避免深拷贝，提升对象传递效率。

4. 适用场景

需要动态调整大小的数组（如读取未知数量数据）。
高频随机访问元素的场景（如排序、查找）。

二、C 语言实现动态数组（仿 `vector`）

1. 结构设计
通过结构体封装动态数组的核心参数：

typedef struct {void* data;         // 数据指针size_t size;        // 当前元素数量size_t capacity;    // 分配的总容量size_t elem_size;   // 单个元素大小（字节）
} Vector;

2. 核心功能实现

初始化与销毁

Vector vector_init(size_t elem_size, size_t capacity) {Vector vec;vec.elem_size = elem_size;vec.capacity = (capacity > 0) ? capacity : 1;vec.data = malloc(vec.capacity * elem_size);return vec;
}void vector_destroy(Vector* vec) {free(vec->data);vec->data = NULL;
}

动态扩容

void vector_resize(Vector* vec, size_t new_capacity) {void* new_data = realloc(vec->data, new_capacity * vec->elem_size);vec->data = new_data;vec->capacity = new_capacity;
}

元素操作

void vector_push_back(Vector* vec, const void* value) {if (vec->size >= vec->capacity) {vector_resize(vec, vec->capacity * 2); // 容量翻倍}memcpy((char*)vec->data + vec->size * vec->elem_size, value, vec->elem_size);vec->size++;
}void* vector_at(Vector* vec, size_t index) {return (char*)vec->data + index * vec->elem_size;
}

3. 使用示例

int main() {Vector vec = vector_init(sizeof(int), 2);int a = 10, b = 20;vector_push_back(&vec, &a);vector_push_back(&vec, &b);printf("%d", *(int*)vector_at(&vec, 1)); // 输出 20vector_destroy(&vec);return 0;
}

三、C++ `vector` 与 C 实现的对比

特性	C++ `vector`	C 实现
内存管理	自动扩容与释放（RAII）	需手动调用 `resize` 和 `destroy`
类型安全	模板支持，编译时类型检查	依赖 `void*`，需手动类型转换
功能扩展	支持迭代器、STL 算法	需自行实现排序、查找等功能
性能优化	移动语义、预分配策略	需手动优化内存对齐或批量操作
异常处理	抛出 `std::out_of_range` 等异常	直接终止程序或返回错误码

四、开发建议

C++ 场景
- 优先使用 vector，避免重复造轮子。
- 结合 reserve 和 emplace_back 提升性能。
C 语言场景
- 封装内存操作函数（如 vector_push_bulk）减少冗余代码。
- 添加边界检查宏增强安全性：
```
#define VECTOR_SAFE_ACCESS(vec, index) \((index < vec.size) ? vector_at(&vec, index) : NULL)
```
跨语言协作
- 在混合编程时，可通过 C 动态数组传递数据，再由 C++ 封装为 vector。