std::vector 简介与列表构造函数

背景：解决可扩展性难题

在上一课《容器与数组简介》中，我们介绍了容器与数组。本课将重点介绍本章后续将频繁使用的数组类型：std::vector，并用它解决上一课提出的“变量可扩展性”问题。

`std::vector` 概述

std::vector 是 C++ 标准容器库中的一个容器类，专门实现动态数组。它定义在 <vector> 头文件中，并以类模板形式提供，其模板参数指定元素类型。例如：

std::vector<int>   // 元素类型为 int 的 vector

创建 std::vector 对象非常简单：

#include <vector>

int main()
{
    // 值初始化（调用默认构造函数）
    std::vector<int> empty{}; // 空 vector，当前含 0 个 int 元素

    return 0;
}

变量 empty 是一个元素类型为 int 的 std::vector。由于采用值初始化，它初始为空（零元素）。空 vector 虽看似无用，但在后续课程（特别是 16.11《std::vector 与栈行为》）中常会用到。

用值列表初始化 `std::vector`

容器的核心用途是管理一组相关值，因此最常见的需求是用一组初始值来初始化容器。这可通过列表初始化实现：

#include <vector>

int main()
{
    // 列表构造（调用列表构造函数）
    std::vector<int> primes{ 2, 3, 5, 7 };        // 含 4 个 int 元素
    std::vector vowels{ 'a', 'e', 'i', 'o', 'u' }; // 含 5 个 char 元素，C++17 CTAD 自动推导元素类型

    return 0;
}

primes 显式指定元素类型为 int，并提供 4 个初始值。
vowels 未显式指定类型，利用 C++17 的 CTAD（类模板实参推导）由初始值推导出元素类型为 char。

列表构造函数与 `std::initializer_list`

在第 13.8 课《结构体聚合初始化》中，我们把花括号包围的逗号分隔值称为初始化列表。
容器通常提供列表构造函数，接受 std::initializer_list 形参，完成以下三项工作：

按需分配足够存储空间；
将容器长度设为初始化列表元素个数；
按顺序用列表值初始化各元素。

因此，向容器提供初始化列表时，列表构造函数被调用，容器即按列表构造。

最佳实践
使用列表初始化（值列表）为容器赋予初始元素。

通过下标运算符访问数组元素

创建数组后，如何访问元素？
类比邮局信箱：一排编号为 0, 1, 2… 的邮箱，0 号即第 1 个。
C++ 中最常见的元素访问方式是下标运算符 []：

arrayName[index]

index 称为下标或索引。
数组零基索引：首元素索引 0，次元素 1，依此类推。
下标运算符返回元素引用，可直接读写。

示例：

#include <iostream>
#include <vector>

int main()
{
    std::vector primes{ 2, 3, 5, 7, 11 };

    std::cout << "第一个素数：" << primes[0] << '\n';
    std::cout << "第二个素数：" << primes[1] << '\n';
    std::cout << "前 5 个素数之和：" 
              << primes[0] + primes[1] + primes[2] + primes[3] + primes[4] << '\n';

    return 0;
}

输出：

第一个素数：2
第二个素数：3
前 5 个素数之和：28

越界访问

索引必须落在有效范围内：
若容器长度为 N，则合法索引为 0 到 N−1。
operator[] 不做边界检查；传入非法索引将导致未定义行为。

提示

索引 N 并不存在，使用它将访问“尾后”位置，引发未定义行为。
某些编译器（如 Visual Studio）在调试模式提供运行时断言，发布模式则移除以提高性能。

数组内存连续

数组的显著特征是元素在内存中连续存储（无间隔）。
示例：

#include <iostream>
#include <vector>

int main()
{
    std::vector primes{ 2, 3, 5 };
    std::cout << "int 大小：" << sizeof(int) << " 字节\n";
    std::cout << &primes[0] << '\n';
    std::cout << &primes[1] << '\n';
    std::cout << &primes[2] << '\n';
}

输出地址间隔等于 int 大小（4 字节）。
连续存储带来零额外开销，且支持随机访问（直接访问任意元素），效率极高。

指定长度的 `std::vector` 构造

若需用户输入 10 个值，应先创建长度为 10 的 std::vector。
不推荐用 10 个占位符列表初始化：

std::vector<int> data{ 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0 }; // 冗长且难维护

std::vector 提供显式构造函数：

std::vector<int> data(10); // 含 10 个 int，值初始化为 0

元素被值初始化（int 为 0，类类型调用默认构造函数）。
该构造函数需直接初始化调用：

std::vector<int> v(10); // 正确

列表构造与单参构造的歧义

std::vector<int> v{ 10 }; // 意图？

候选：

列表构造：1 个元素，值为 10；
单参构造：长度 10，元素值初始化。

C++ 规则：非空初始化列表优先匹配列表构造函数。
因此 { 10 } 选择列表构造，创建 1 个元素 10。

各初始化形式对比：

形式	结果
`std::vector<int> v1 = 10;`	错误：拷贝初始化不匹配 `explicit` 构造函数
`std::vector<int> v2(10);`	长度 10，值初始化
`std::vector<int> v3{ 10 };`	1 个元素 10
`std::vector<int> v4 = { 10 };`	同上
`std::vector<int> v5({ 10 });`	同上
`std::vector<int> v6{};`	空 vector（默认构造）

最佳实践
若欲用非元素值参数构造容器，请使用直接初始化。

类成员默认初始化陷阱

struct Foo
{
    std::vector<int> v1(8); // 错误：成员默认初始化不允许直接初始化
};

成员默认初始化只允许拷贝/列表初始化，且禁止 CTAD。
正确写法：

struct Foo
{
    std::vector<int> v{ std::vector<int>(8) }; // 先构造临时 vector，再拷贝初始化
};

`const` 与 `constexpr` `std::vector`

const std::vector<int> 必须在定义时初始化，之后不可修改，元素视为 const。
禁止元素类型自身为 const（如 std::vector<const int>）。
std::vector 不能声明为 constexpr；若需 constexpr 数组，请使用 std::array。

命名由来

“vector” 一词在日常英语中指几何向量，但 std::vector 是动态数组。
Alexander Stepanov 在 From Mathematics to Generic Programming 中坦言：

“STL 中的 vector 源自 Scheme 与 Common Lisp，可惜与数学中的向量含义不符……本应叫 array，但错误一旦传播便难以更正。”

小测验

问题 1
使用 CTAD 定义 std::vector，并用前 5 个正平方数（1, 4, 9, 16, 25）初始化。

问题 2
以下两行有何行为差异？

std::vector<int> v1{ 5 };
std::vector<int> v2(5);

问题 3
显式指定模板参数，定义 std::vector 以存储一年 365 天每日高温（精确到 0.1℃）。

问题 4
利用 std::vector 编写程序：提示用户输入 3 个整数，输出其和与积。
示例交互：

Enter 3 integers: 3 4 5
The sum is: 12
The product is: 60

（各题答案略）

背景：解决可扩展性难题

std::vector 概述

用值列表初始化 std::vector

列表构造函数与 std::initializer_list