C++ STL 與 Vector 容器

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#C++#初學#STL#Vector

本文介紹 C++ 標準模板庫（STL）及其核心組成，並聚焦於 vector 容器的特色、宣告、操作（插入、刪除、遍歷等）與應用。

目錄12 項

C++ STL 與 Vector 容器

STL 是什麼？

Standard Template Library (STL) 是 C++ 標準程式庫的一部分，提供通用的模板類別和函數，主要由以下三部分組成：

  1. 容器（Containers）：用於儲存和管理資料，如 array、vector、map、queue 等。
  2. 演算法（Algorithms）：提供常見操作，如排序、搜尋、複製等（例如 std::sort、std::find）。
  3. 迭代器（Iterators）：用於遍歷容器中的元素，作為容器與演算法的橋樑。

圖示：

Vector 容器

1. 特色

  1. 動態調整大小：根據需要自動擴展或縮減容量。
  2. 快速插入/刪除：在末尾操作效率高，指定位置操作需移動後續元素。
  3. 連續記憶體儲存：元素在記憶體中連續排列，支援隨機存取。
  4. 全域宣告初始化：全域宣告的 vector 自動將元素初始化為 0。

2. 標頭檔

#include <vector>

3. 宣告

語法：

std::vector<元素型態> 向量名稱;
std::vector<元素型態> 向量名稱 = {值1, 值2, ...};
std::vector<std::vector<元素型態>> 向量名稱;

範例：

#include <vector>
#include <string>
std::vector<int> vec;
std::vector<std::string> vec2;
std::vector<int> vec3 = {1, 2, 3};
std::vector<std::vector<int>> vec4;

4. 取得元素

語法：

向量名稱[索引];
向量名稱.at(索引);

範例：

#include <vector>
std::vector<int> myVector = {1, 2, 3};
int element1 = myVector[0];
int element2 = myVector.at(1);

5. 插入元素

5.1 插入到尾端

  • push_back：複製或移動元素到尾端。
  • emplace_back：直接在尾端構造元素，效率更高。

範例：

#include <vector>
std::vector<int> myVector;
myVector.push_back(1);
myVector.emplace_back(2);

5.2 插入到特定位置

練習：

#include <vector>
#include <iostream>
using namespace std;

int main() {
    vector<int> myVector = {1, 2, 3, 4, 5};
    auto it = myVector.begin() + 2;
    myVector.insert(it, 10);
    it = myVector.begin() + 3;
    myVector.insert(it, {20, 30});
    for (int x : myVector) {
        cout << x << " ";
    }
    cout << endl;
    return 0;
}

輸出：

1 2 10 20 30 3 4 5

6. 刪除元素

6.1 刪除尾端元素（pop_back）

#include <vector>
std::vector<int> myVector = {1, 2, 3};
myVector.pop_back();

6.2 刪除指定位置（erase）

練習：刪除單一元素：

#include <vector>
#include <iostream>
using namespace std;

int main() {
    vector<int> demo = {1, 2, 3, 4, 5};
    auto iter = demo.erase(demo.begin() + 1);
    cout << "size is: " << demo.size() << endl;
    for (int x : demo) {
        cout << x << " ";
    }
    cout << endl << *iter << endl;
    return 0;
}

輸出：

size is: 4
1 3 4 5
3

練習：刪除區間：

#include <vector>
#include <iostream>
using namespace std;

int main() {
    vector<int> demo = {1, 2, 3, 4, 5};
    auto iter = demo.erase(demo.begin() + 1, demo.end() - 1);
    cout << "size is: " << demo.size() << endl;
    cout << "capacity is: " << demo.capacity() << endl;
    for (int x : demo) {
        cout << x << " ";
    }
    cout << endl;
    return 0;
}

輸出：

size is: 2
capacity is: 5
1 5

6.3 移除特定值（remove）

練習：

#include <vector>
#include <iostream>
#include <algorithm>
using namespace std;

int main() {
    vector<int> demo = {1, 3, 3, 4, 3, 5};
    auto iter = remove(demo.begin(), demo.end(), 3);
    cout << "size is: " << demo.size() << endl;
    for (auto first = demo.begin(); first < iter; ++first) {
        cout << *first << " ";
    }
    cout << endl;
    demo.erase(iter, demo.end());
    cout << "size after erase: " << demo.size() << endl;
    return 0;
}

輸出：

size is: 6
1 4 5
size after erase: 3

6.4 清除所有元素（clear）

練習：

#include <vector>
#include <iostream>
using namespace std;

int main() {
    vector<int> demo = {1, 3, 3, 4, 3, 5};
    demo.clear();
    cout << "size is: " << demo.size() << endl;
    cout << "capacity is: " << demo.capacity() << endl;
    return 0;
}

輸出：

size is: 0
capacity is: 6

7. 取得大小

#include <vector>
#include <iostream>
std::vector<int> vec = {1, 2, 3};
std::cout << vec.size();

輸出：

3

8. 檢查是否為空

#include <vector>
#include <iostream>
std::vector<int> vec;
std::cout << vec.empty();

輸出：

1

9. 迭代器

9.1 For 迴圈遍歷

#include <vector>
#include <iostream>
using namespace std;

int main() {
    vector<int> vec = {1, 2, 3, 4, 5};
    for (int i = 0; i < vec.size(); i++) {
        cout << vec[i] << " ";
    }
    cout << endl;
    return 0;
}

輸出：

1 2 3 4 5

9.2 迭代器遍歷

#include <vector>
#include <iostream>
using namespace std;

int main() {
    vector<int> vec = {1, 2, 3, 4, 5};
    for (auto it = vec.begin(); it != vec.end(); ++it) {
        cout << *it << " ";
    }
    cout << endl;
    return 0;
}

輸出：

1 2 3 4 5

9.3 範圍 for 迴圈

#include <vector>
#include <iostream>
using namespace std;

int main() {
    vector<int> vec = {1, 2, 3, 4, 5};
    for (int x : vec) {
        cout << x << " ";
    }
    cout << endl;
    return 0;
}

輸出：

1 2 3 4 5

10. 改變向量大小

練習：

#include <vector>
#include <iostream>
using namespace std;

int main() {
    vector<int> vec1 = {2, 4, 6, 8, 10};
    vec1[4] = 1;
    cout << "vec1: ";
    for (int x : vec1) {
        cout << x << " ";
    }
    cout << endl;

    vector<int> vec2;
    vec2.resize(5);
    vec2[4] = 1;
    cout << "vec2: ";
    for (int x : vec2) {
        cout << x << " ";
    }
    cout << endl;
    return 0;
}

輸出：

vec1: 2 4 6 8 1
vec2: 0 0 0 0 1

錯誤範例：

#include <vector>
#include <iostream>
using namespace std;

int main() {
    vector<int> vec1;
    vec1[4] = 1; // 錯誤：越界存取
    return 0;
}
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