字符串、向量和数组 (Strings, Vectors, and Arrays)

3.1 命名空间的 using 声明

为了避免每次都写 std::cin、std::string 这样繁琐的前缀，我们可以使用 using 声明。

• 语法：using namespace::name;
• 示例

  using std::cin;
  using std::string;
  // 之后可以直接使用 cin 和 string

头文件中的陷阱

千万不要在头文件 (.h / .hpp) 中使用 using 声明！

因为头文件会被包含到其他文件中，这会导致所有包含该头文件的代码都被迫“打开”了命名空间，极易引发命名冲突（Namespace Pollution）。

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3.2 标准库类型 string

std::string 表示可变长的字符序列。

1. 定义和初始化

string s1;            // 默认初始化，空字符串
string s2 = s1;       // 拷贝初始化，使用等号
string s3 = "hiya";   // 拷贝初始化
string s4(10, 'c');   // 直接初始化，s4 内容为 "cccccccccc"

2. 读写操作

• cin >> s：自动忽略开头的空白（空格、换行、制表符），从第一个真字符读起，直到遇到下一个空白停止。
• getline(cin, s)：读取一整行，保留空格，直到遇到换行符为止（换行符被读取但不存入 string）。

3. 核心操作

• s.empty()：布尔值，是否为空。
• s.size()：返回字符个数。

size_type 类型

s.size() 返回的类型不是 int，而是 string::size_type。这是一个无符号类型，且足以容纳任何 string。

切记：不要在表达式中混用 size() 和 int（特别是负数），因为无符号数和有符号数运算会产生意想不到的结果。

• 比较：==, !=, <, <= 等（字典序比较）。
• 相加：s1 + s2。
  • 注意：字面值不能直接相加。"hello" + "world" ❌ 是错误的，必须确保 + 两侧至少有一个是 string 对象。

4. 处理字符 (cctype 头文件)

利用 C++11 的 范围 for 循环 (Range-based for) 遍历字符：

string str = "Hello World";
// 将所有字符变大写
for (auto &c : str) { // 注意这里使用了引用 &，否则无法修改原字符串
    c = toupper(c);
}

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3.3 标准库类型 vector

std::vector 是一个类模板 (Class Template)，表示对象的集合。它也被称为容器。

1. 定义和初始化

vector<int> v1;               // 默认初始化，空
vector<int> v2(v1);           // 拷贝
vector<int> v3(10, 1);        // 10 个元素，每个都是 1
vector<int> v4{1, 2, 3};      // 列表初始化 (C++11)
vector<string> v5(10, "hi");  // 10 个 "hi"

圆括号 () vs 花括号 {}

• vector<int> v(10); -> 构建 10 个默认初始化的 int（都是 0）。

• vector<int> v{10}; -> 构建 1 个 int，值为 10。

2. 向 vector 添加元素

• push_back(val)：把元素压入尾部。
• 关键原则：在现代 C++ 中，通常先定义一个空 vector，然后运行时动态 push_back，这比预先分配指定大小往往更高效。

3. 其他操作

• v.size()：返回 vector<T>::size_type。
• v[n]：下标索引。

致命错误：下标越界

不能使用下标来添加元素！下标只能访问已存在的元素。

C++

vector<int> ivec; // 空
ivec[0] = 42;     // ❌ 运行时错误！缓冲区溢出 (Buffer Overflow)
ivec.push_back(42); // ✅ 正确

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3.4 迭代器介绍 (Iterators)

迭代器是连接容器和算法的桥梁。虽然 vector 支持下标，但并非所有容器（如 list, map）都支持下标，但它们都支持迭代器。

1. 获取迭代器

• v.begin(): 指向第一个元素。
• v.end(): 指向尾元素的下一位置 (One past the last element)。如果容器为空，begin 等于 end。

2. 迭代器操作

• *it: 解引用，获取元素。
• ++it, --it: 移动位置。
• it->mem: 等价于 (*it).mem，访问成员。
• it1 == it2: 判断是否指向同一位置。

3. 类型

• vector<int>::iterator: 可读写。
• vector<int>::const_iterator: 只读，不能修改指向的元素。
• cbegin(), cend() (C++11): 专门返回 const_iterator。

4. 迭代器运算 (仅 string 和 vector 支持)

• it + n / it - n: 跳跃移动。
• it1 - it2: 返回两个迭代器的距离（类型为 difference_type，带符号）。

迭代器失效

凡是使用了迭代器的循环，都不要向容器添加元素（push_back）。因为添加元素可能导致 vector 扩容（重新分配内存），这会使所有指向旧内存的迭代器瞬间失效。

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3.5 数组 (Arrays)

数组是 C++ 继承自 C 语言的低级数据结构。与 vector 不同，数组的大小固定。

1. 定义与初始化

• int arr[10]; // 维度必须是常量表达式

• int arr[] = {1, 2, 3}; // 自动推断维度为 3

• 限制：数组不能直接拷贝或赋值！

  int a[] = {1, 2};
  int b[] = a; // ❌ 错误

2. 复杂的数组声明

这也是面试常考点（由内向外读）：

• int *ptrs[10]; -> ptrs 是一个数组，存了 10 个 int* (指针数组)。
• int (*Parray)[10]; -> Parray 是一个指针，指向一个包含 10 个 int 的数组 (数组指针)。

3. 数组与指针的关系

在大多数表达式中，数组名会自动退化（Decay）为指向首元素的指针。

int ia[] = {0, 1, 2};
auto ia2(ia); // ia2 是 int* 类型，指向 ia[0]

例外：使用 decltype(ia), sizeof(ia), &ia 时，数组不会退化。

4. 指针也是迭代器

C++11 引入了 std::begin(arr) 和 std::end(arr) 函数（定义在 <iterator> 头文件中），让数组可以用类似 vector 的方式遍历。

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3.6 多维数组

C++ 并没有真正的“多维数组”，所谓的二维数组其实是 “数组的数组”。

1. 初始化

int ia[3][4] = {
    {0, 1, 2, 3},
    {4, 5, 6, 7},
    {8, 9, 10, 11}
};

2. 使用范围 for 循环遍历

这是本节最大的考点。

int ia[3][4];

// ✅ 正确写法
for (const auto &row : ia) {   // 外层必须引用！
    for (auto col : row) {
        cout << col << " ";
    }
}

为什么要用引用 (&row) ?

如果外层不用引用 for (auto row : ia)，根据数组退化规则，row 会被推导为 指针 (int*)，指向每行的首元素。

这样内层循环就变成了遍历一个指针，这在语法上是错误的（无法对 int* 进行 range-for）。

所以，遍历多维数组时，外层循环控制变量必须声明为引用类型。

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📚 总结

第 3 章是从 C 迈向 C++ 的分水岭。

1. 能用 vector 和 string 就不要用数组和 char*。
2. 理解迭代器是理解 STL 的钥匙。
3. 熟悉 size_type 和无符号数陷阱。
4. 掌握范围 for 循环和 auto 类型推导。