C++ STL 容器 vector 重载运算符教程

1. vector 简介

定义：vector 是 C++ 标准库中的动态数组容器，支持随机访问和动态扩容。

头文件：

#include <vector>

声明：

std::vector<数据类型> 变量名;

示例：

std::vector<int> numbers;          // 空 vector
std::vector<double> scores(5, 0.0); // 包含5个0.0的vector

2. vector 重载的运算符

vector 容器重载了多个运算符，使其使用起来更像普通数组：

3. 下标运算符 []

功能：访问 vector 中指定位置的元素。

示例：

#include <vector>
#include <iostream>

int main() {
    std::vector<int> numbers = {10, 20, 30, 40, 50};
    
    // 使用[]访问元素
    std::cout << "第一个元素: " << numbers[0] << std::endl;  // 输出: 10
    
    // 修改元素
    numbers[2] = 300;
    std::cout << "修改后的第三个元素: " << numbers[2] << std::endl;  // 输出: 300
    
    return 0;
}

注意：[] 不进行边界检查，使用超出范围的索引会导致未定义行为。

4. 赋值运算符 =

功能：将一个 vector 的内容复制给另一个 vector。

示例：

#include <vector>
#include <iostream>

int main() {
    std::vector<int> source = {1, 2, 3};
    std::vector<int> destination;
    
    // 使用赋值运算符
    destination = source;
    
    // 输出 destination 的内容
    for (int num : destination) {
        std::cout << num << " ";  // 输出: 1 2 3
    }
    std::cout << std::endl;
    
    return 0;
}

注意：赋值后两个 vector 是独立的，修改一个不会影响另一个。

5. 比较运算符

vector 支持所有关系运算符 (==, !=, <, <=, >, >=)，比较规则如下：

• 按元素顺序逐个比较
• 如果所有元素都相等且大小相同，则 == 返回 true
• 第一个不相等元素的比较结果决定 < 或 > 的结果

示例：

#include <vector>
#include <iostream>

int main() {
    std::vector<int> a = {1, 2, 3};
    std::vector<int> b = {1, 2, 3};
    std::vector<int> c = {1, 2, 4};
    
    std::cout << std::boolalpha;  // 输出 true/false 而非 1/0
    
    std::cout << "a == b: " << (a == b) << std::endl;  // 输出: true
    std::cout << "a == c: " << (a == c) << std::endl;  // 输出: false
    std::cout << "a < c: " << (a < c) << std::endl;   // 输出: true
    std::cout << "a > c: " << (a > c) << std::endl;   // 输出: false
    
    return 0;
}

6. 自定义重载运算符

除了 vector 内置的运算符重载，我们还可以自定义重载其他运算符。

示例1：重载 << 运算符用于输出 vector

#include <vector>
#include <iostream>

// 重载<<运算符
template <typename T>
std::ostream& operator<<(std::ostream& os, const std::vector<T>& vec) {
    os << "[";
    for (size_t i = 0; i < vec.size(); ++i) {
        os << vec[i];
        if (i != vec.size() - 1) {
            os << ", ";
        }
    }
    os << "]";
    return os;
}

int main() {
    std::vector<int> numbers = {1, 2, 3, 4, 5};
    
    // 使用重载的<<运算符输出vector
    std::cout << "numbers: " << numbers << std::endl;  // 输出: numbers: [1, 2, 3, 4, 5]
    
    return 0;
}

示例2：重载 + 运算符用于连接两个 vector

#include <vector>
#include <iostream>

// 重载+运算符
template <typename T>
std::vector<T> operator+(const std::vector<T>& a, const std::vector<T>& b) {
    std::vector<T> result = a;
    result.insert(result.end(), b.begin(), b.end());
    return result;
}

int main() {
    std::vector<int> a = {1, 2, 3};
    std::vector<int> b = {4, 5, 6};
    
    // 使用重载的+运算符连接两个vector
    std::vector<int> c = a + b;
    
    // 输出结果
    for (int num : c) {
        std::cout << num << " ";  // 输出: 1 2 3 4 5 6
    }
    std::cout << std::endl;
    
    return 0;
}

7. 安全访问：at() 方法

虽然 [] 运算符很方便，但它不进行边界检查。为了安全访问元素，可以使用 at() 方法：

#include <vector>
#include <iostream>

int main() {
    std::vector<int> numbers = {10, 20, 30};
    
    try {
        // 安全访问，会进行边界检查
        std::cout << numbers.at(5) << std::endl;
    } catch (const std::out_of_range& e) {
        std::cout << "错误: " << e.what() << std::endl;  // 输出: 错误: vector::_M_range_check: __n (which is 5) >= this->size() (which is 3)
    }
    
    return 0;
}

8. 性能考虑

• [] 和 at() 的性能差异：

  • [] 直接访问内存，无额外开销
  • at() 会进行边界检查，有轻微性能损失

• 赋值运算符 = 的性能：

  • 对于大型 vector，复制操作可能较慢
  • 考虑使用移动语义 (std::move) 避免复制

总结

vector 通过重载运算符提供了类似普通数组的使用方式，同时保留了动态扩容的能力。常用的重载运算符包括：

• [] 用于元素访问
• = 用于赋值
• 关系运算符 (==, !=, <, 等) 用于比较

此外，我们还可以自定义重载其他运算符（如 << 和 +）以增强 vector 的功能。使用时应注意 [] 和 at() 的区别，根据需要选择安全访问或性能优先的方式。