C++数组大小动态调整技巧：vector与resize应用详解

# 1. C++数组与动态内存管理基础

## 1.1 C++数组的本质与特性

C++数组是一种数据结构，它能够存储一系列相同类型的元素。数组中的每个元素都可以通过其索引来访问，索引从0开始。数组的大小必须是编译时常量，这意味着一旦定义，它的大小就不能改变。数组是一个非常基础的内存管理工具，但在处理动态大小的数据时，使用数组可能会引起一些问题，如内存溢出或者内存浪费。

## 1.2 数组与指针的关系

在C++中，数组名可以被解释为指向数组首元素的指针。这一特性使得数组和指针在很多上下文中可以互换使用，但也增加了理解数组操作复杂性。理解数组与指针之间的关系，对于深入学习指针以及动态内存管理是至关重要的。

## 1.3 动态内存分配

C++提供了动态内存分配机制，它允许程序在运行时确定内存大小并进行分配。这种机制主要通过`new`和`delete`关键字实现，让程序员可以更灵活地控制内存。动态内存管理是C++内存管理的基石，但同时也带来了诸如内存泄漏、内存碎片和双重删除等问题。因此，深入理解动态内存分配对于C++开发者来说是必经之路。

为了更有效地管理动态内存，通常推荐使用C++的智能指针类，如`std::unique_ptr`和`std::shared_ptr`，这些智能指针可以自动处理内存释放，减少内存泄漏的风险。

# 2. 深入理解C++标准库中的vector容器

## vector容器的特性与优势

### vector容器的数据结构

`vector`是C++标准模板库(STL)中的一种顺序容器，它实现了一个动态数组。与普通数组不同，`vector`可以动态地增长和缩小，无需在创建时指定固定大小。其内部数据结构在逻辑上表现为一个数组，但在实现上，通常是通过一个指针来管理一块连续的内存区域。

#include <iostream>
#include <vector>

int main() {
    std::vector<int> vec;

    vec.push_back(10); // 动态添加元素
    vec.push_back(20);

    for (size_t i = 0; i < vec.size(); ++i) {
        std::cout << vec[i] << ' ';
    }

    return 0;
}

在上述示例中，`vector`通过`push_back`方法动态地增长。其内部通过指针管理连续内存，便于访问和维护，这使得`vector`在性能上接近原始数组，同时提供了更大的灵活性。

### vector容器的常用操作

`vector`提供了丰富的成员函数来操作内部元素。这些操作包括但不限于插入(`push_back`, `insert`), 删除(`pop_back`, `erase`), 访问(`operator[]`, `at`), 清空(`clear`)和大小管理(`size`, `max_size`, `resize`)等。

vec.push_back(30);    // 在末尾添加一个元素
vec.insert(vec.begin(), 5); // 在开始位置插入一个元素

int& ref_to_first = vec.front(); // 获取第一个元素的引用
int& ref_to_last = vec.back();  // 获取最后一个元素的引用

vec.erase(vec.begin());          // 删除第一个元素
vec.pop_back();                  // 删除最后一个元素

std::cout << "Size of vector: " << vec.size() << std::endl;
vec.resize(5);                    // 调整大小为5，不足部分用默认值填充或移除多余部分

`vector`的这些操作使得数据的管理非常方便，而其提供的一系列迭代器操作则使得与STL算法的集成变得自然和流畅。

## vector的动态扩容机制

### vector内部如何管理内存

`vector`在内部通过一个动态数组管理元素，这通常意味着它维护一个指向连续内存块的指针，以及当前使用空间的大小(`size`)和总分配空间的大小(`capacity`)。

std::vector<int> vec;
vec.push_back(10);
vec.push_back(20);

// 指向内部动态数组的指针
int* elements = vec.data(); 

// vector当前已使用空间大小
size_t current_size = vec.size();

// vector总分配空间大小
size_t total_capacity = vec.capacity();

`data()`函数返回指向内部数组的指针，`size()`返回当前元素数量，而`capacity()`则返回为当前`vector`对象预先分配的存储空间容量。

### 动态扩容的时机和策略

当`vector`中存储的元素数量超过当前容量时，`vector`会进行动态扩容，以确保有足够的空间来存储新元素。扩容通常涉及到以下步骤：

1. 分配新的、更大的内存块；
2. 将旧内存块中的元素复制到新内存块中；
3. 销毁旧内存块，并释放其占用的空间；
4. 更新`vector`内部指针，指向新的内存块。

std::vector<int> vec;
vec.reserve(100); // 预先分配足够的空间

for (int i = 0; i < 150; ++i) {
    vec.push_back(i);
}

std::cout << "Vector size: " << vec.size() << std::endl;
std::cout << "Vector capacity: " << vec.capacity() << std::endl;

在上述示例中，尽管插入了150个元素，但预分配了100个元素的空间，因此扩容只会在插入更多元素时触发一次。

## vector与迭代器

### 迭代器的作用与分类

迭代器是一种行为类似于指针的对象，用于访问容器中的元素，而不需要暴露容器的内部实现细节。在C++ STL中，迭代器主要有以下几种类型：

- 输入迭代器 (Input Iterator)
- 输出迭代器 (Output Iterator)
- 前向迭代器 (Forward Iterator)
- 双向迭代器 (Bidirectional Iterator)
- 随机访问迭代器 (Random Access Iterator)

`vector`支持随机访问迭代器，这意味着你可以使用迭代器来访问`vector`中的任何位置的元素，就像使用指针一样。

std::vector<int> vec = {1, 2, 3, 4, 5};
std::vector<int>::iterator it = vec.begin(); // 获取迭代器

*it = 10; //