突破编程_C++_面试（STL 编程 vector ）

面试题 1 ：std::vector 的底层存储机制是什么？

std::vector 的底层存储机制是一个动态数组，它内部通过一片连续的内存空间来存储元素。当这个连续的内存空间不足以容纳新元素时，std::vector 会自动申请一块更大的内存空间，通常是当前容量的 1.5 倍或 2 倍，然后将原有数据拷贝到新的内存空间，并释放原来的内存空间。这个过程称为 reallocation。

std::vector 内部有三个基本的指针，分别是 start、finish 和 end_of_storage。start 指向容器的首元素，finish 指向尾元素的下一个位置，而 end_of_storage 指向容器的最大位置。这三个指针帮助 vector 实现了许多功能，如已存储元素大小、剩余空间大小、总容器空间大小等等。

需要注意的是，std::vector 的扩容机制时间成本较高，因此在实际使用中，如果能提前确定容器空间的大小，最好提前设定好容器空间的大小，以避免频繁的扩容操作。同时，由于扩容可能会导致原有指针、迭代器失效，因此在扩容后需要特别注意指针和迭代器的有效性。

此外，std::vector 还支持随机访问，因此访问某一个元素的时间复杂度是 O(1)。但是，由于其内部是连续的内存空间，所以在插入到非尾结点位置或删除元素时，需要移动的元素数量较多，时间复杂度为 O(n)。这也是 std::vector和std::list 等其他容器在性能上的一个主要区别。

面试题 2 ：std::vector 的自增长机制是如何实现的？

std::vector 的自增长机制是通过动态调整其内部存储空间的容量来实现的。当 std::vector 需要插入新元素，而当前的存储空间不足以容纳时，它就会触发自增长机制。

自增长机制的实现过程大致如下：

（1）检查容量： 当需要插入新元素时，std::vector 会首先检查当前的容量（capacity）是否足够。容量是指 vector 在内存中预留的空间大小，它至少应该等于 vector 的大小（size），也就是当前存储的元素数量。

（2）重新分配内存： 如果容量不足，std::vector 会重新分配内存空间。通常情况下，它会分配一个更大的内存块，通常是当前容量的1.5倍或2倍（具体倍数可能因实现而异）。这样做是为了减少未来插入元素时再次触发重新分配的次数。

（3）数据迁移： 然后，std::vector会将原有数据（即所有已存储的元素）从旧的内存空间复制到新的内存空间。这是一个相对耗时的操作，因为它涉及到内存拷贝。

（4）释放旧内存： 在数据迁移完成后，std::vector会释放原来的内存空间，这样旧的内存就可以被操作系统或其他数据结构重新利用了。

（5）更新指针： 最后，std::vector 会更新其内部的指针，使 start 和 finish 指针指向新的内存空间中的正确位置，end_of_storage 指针则指向新的内存空间的末尾。

需要注意的是，std::vector 的自增长机制可能会导致一些性能问题。因为每次重新分配内存和数据迁移都是一个相对耗时的操作，特别是在插入大量元素时。因此，在实际应用中，如果可能的话，最好预先知道或估计 vector 可能需要存储的元素数量，并使用 reserve() 函数提前为其分配足够的空间，以减少重新分配的次数。

面试题 3 ：std::vector 和 std::array 有什么区别？

std::vector和std::array在C++中都是容器，用于存储一系列相同类型的对象，但它们之间存在一些关键的区别：

（1）动态与静态：

• std::vector 是一个动态数组，它可以根据需要动态地增加或减少大小。这意味着你可以在任何时候向 vector 中添加或删除元素，而不需要预先知道它将要存储多少元素。
• std::array 则是一个固定大小的数组，它在编译时创建，并且大小是固定的。一旦定义了一个 array，就不能改变它的大小。
  内存分配：
• std::vector 使用动态内存分配，这意味着它会在运行时根据需要分配或释放内存。这种动态分配使得 vector 能够灵活地处理不同大小的数据集。
• std::array 使用静态内存分配，即在编译时分配固定大小的内存。这意味着 array 的大小在编译时就已经确定，并且存储在栈内存中。

（2）访问方式：

• std::vector 和 std::array 都支持随机访问，可以通过下标运算符[]快速访问元素。然而，由于 vector 的内存动态分配，其访问速度可能会比 array 慢一些，尤其是在涉及大量数据的情况下。
• 另一方面，array 由于其内存是连续和静态的，访问速度通常更快。

（3）初始化和使用：

• std::vector 可以使用默认构造函数创建一个空的 vector，然后使用 push_back() 等方法来添加元素。它也可以在创建时指定初始大小。
• std::array 在定义时必须指定其大小，并且可以使用初始化列表、默认构造函数或复制构造函数来初始化。一旦定义，就不能改变 array 的大小。

（4）适用场景：

• std::vector 适用于需要动态调整大小的情况，例如当你不知道将要存储多少数据，或者数据的大小可能会在程序执行期间改变时。
• std::array 适用于大小已知且不会改变的情况，例如当你有一个固定大小的数据集，并且希望获得更好的性能时。

（5）异常安全性：

• std::vector 在重新分配内存时可能会抛出异常，特别是当内存不足时。
• std::array 由于其大小是固定的，所以在使用期间不会抛出异常（除了可能的构造函数异常）。

总的来说，std::vector 和 std::array 都有各自的优点和适用场景，选择使用哪一个取决于你的具体需求，比如是否需要动态调整大小、对性能的要求、以及是否已知数组的大小等。

面试题 4 ：std::vector的迭代器失效问题是什么？举一个迭代器失效例子。

在 std::vector 容器中，迭代器失效主要发生在以下情况：

• 当 std::vector 容器进行扩容时，即当现有容量不足以容纳新元素时，std::vector 会重新分配内存空间，并将原有元素复制到新的内存空间中。这个过程可能会导致原有迭代器、引用和指针失效。

• 当 std::vector 容器的元素被删除时，指向被删除元素的迭代器也会失效。

下面是一个迭代器失效的例子：

#include <iostream>  
#include <vector>  int main() 
{std::vector<int> vec = { 1, 2, 3, 4, 5 };// 获取指向vector第一个元素的迭代器  std::vector<int>::iterator it = vec.begin();// 在迭代器指向的元素之前插入一个新元素  vec.insert(it, 0);// 此时，it指向的元素已经被新插入的元素覆盖，it已经失效  // 如果继续使用it，可能会导致未定义的行为，如程序崩溃或数据错误  // 尝试打印it指向的元素，这将导致迭代器失效的错误  std::cout << "The element at iterator position is: " << *it << std::endl;return 0;
}

在上面代码中，首先创建了一个包含 5 个元素的 std::vector。然后获取了一个指向 vector 第一个元素的迭代器it。接下来，在 it 指向的元素之前插入了一个新的元素。由于这个插入操作导致 vector 扩容（如果原容量不足以容纳新元素），vector 重新分配了内存，并将原有元素复制到新内存空间。这时，原有的迭代器 it 已经失效，因为它指向的内存位置现在包含了一个新插入的元素。

如果尝试使用失效的迭代器 it 来访问元素，比如通过 *it 来解引用它，将会导致未定义的行为。在实际应用中，这可能会导致程序崩溃，或者更难以追踪的数据错误。

因此，在编程时必须格外注意避免在迭代器失效后继续使用它。当对 std::vector 容器进行修改操作（如插入、删除、扩容等）时，任何指向容器中元素的迭代器、引用和指针都可能失效。在这种情况下，应该重新获取迭代器，或者确保在修改操作之前或之后不使用这些迭代器。

面试题 5 ：std::vector 和 std::list 有什么区别？

std::vector 和 std::list 是 C++ 标准模板库 (STL) 中的两种非常重要的序列式容器，它们有着显著的区别。以下是它们之间的主要区别：

（1）底层实现与内存管理：

• std::vector：底层使用动态数组实现，元素存储在连续的内存空间中。这意味着 vector 的元素访问速度很快，因为可以通过下标直接访问。然而，当 vector 需要增加大小时，它可能需要重新分配更大的内存块并移动所有元素，这可能会导致较高的时间复杂度。
• std::list：底层使用双向链表实现，每个元素可以分布在内存中的任意位置。这意味着 list 的随机访问速度较慢，因为它需要从头或尾开始遍历链表，但插入和删除元素的速度很快，因为只需要调整节点的指针。

（2）随机访问性能：
std::vector：支持随机访问，即可以通过下标直接访问任何位置的元素，时间复杂度为 O(1)。
std::list：不支持随机访问，访问元素需要从头或尾开始遍历，时间复杂度为 O(n)。

（3）插入与删除操作：
std::vector：在任意位置插入或删除元素时，可能需要移动后续的所有元素来填补空缺，时间复杂度为 O(n)。
std::list：插入或删除元素只需要改变节点指针，时间复杂度为 O(1)。

（4）空间利用率与缓存效率：
std::vector：由于其元素是连续存储的，不容易造成内存碎片，空间利用率和缓存效率较高。
std::list：由于其使用链表结构，每个节点可能不是连续存储的，容易造成内存碎片，导致空间利用率和缓存效率较低。

（5）迭代器：
std::vector：迭代器是原生态的指针。
std::list：迭代器是对原生态指针进行了封装。

（6）迭代器失效问题：
std::vector：在插入元素时，如果导致扩容，原有迭代器可能会失效。删除元素时，被删除元素及其之后的迭代器也会失效。
std::list：插入元素不会导致迭代器失效，而删除元素只会导致当前迭代器失效，其他迭代器不受影响。

（7）使用场景：
std::vector：适用于需要高效存储和随机访问的场景，不关心插入效率。
std::list：适用于大量插入和删除操作的场景，不关心随机访问。

总结，std::vector 和 std::list 的选择取决于具体需求。如果需要高效的随机访问和连续的内存存储，std::vector 是更好的选择。如果需要频繁地插入和删除元素，而不太关心随机访问，那么 std::list 可能更适合。

面试题 6 ：如何在 std::vector 中插入和删除元素？

在C++的std::vector中插入和删除元素有多种方法，下面是一些常用的方法：

插入元素

（1）使用 insert 成员函数

insert 函数可以在指定位置插入一个或多个元素。

#include <vector>
#include <iostream>int main() 
{std::vector<int> vec = {1, 2, 4, 5};// 在位置2插入元素3vec.insert(vec.begin() + 2, 3);// 输出vector的内容for (int num : vec) {std::cout << num << " ";}std::cout << std::endl;return 0;
}

上面代码的输出为：

1 2 3 4 5

insert 也可以接受一个迭代器范围来插入多个元素。

std::vector<int> to_insert = {3, 3, 3};
vec.insert(vec.begin() + 2, to_insert.begin(), to_insert.end());

（2）使用 push_back 成员函数

push_back 在vector的末尾添加一个新元素。

vec.push_back(1);

（3）使用 emplace 或 emplace_back 成员函数

emplace 和 emplace_back 可以在指定位置就地构造一个新元素，这通常比先构造元素再插入更高效。

vec.emplace(vec.begin() + 2, 3); // 在位置2就地构造并插入元素3
vec.emplace_back(7); // 在vector末尾就地构造并插入元素7

删除元素

（1）使用 erase 成员函数

erase 可以删除一个或多个元素。

// 删除位置2的元素
vec.erase(vec.begin() + 2);// 删除从位置1到位置3的元素（不包括位置3）
vec.erase(vec.begin() + 1, vec.begin() + 3);

（2）使用 pop_back 成员函数
pop_back 删除vector的最后一个元素。

if (!vec.empty()) {vec.pop_back();
}

（3）使用 clear 成员函数
clear 删除vector中的所有元素。

vec.clear(); // vector现在为空

注意：当使用 insert 或 erase 时，指向被修改部分的迭代器、引用和指针可能会失效。因此，在插入或删除元素后，应该避免使用这些失效的迭代器、引用和指针。

此外，频繁地在 std::vector 中间位置插入或删除元素可能会导致性能下降，因为可能需要移动大量的元素来保持连续性。如果这种操作很频繁，考虑使用 std::list 或 std::deque 等容器可能会更有效。