C++ vector at和[]区别 C++ 越界检查与性能差异分析【安全】

vector::at() 会进行越界检查并抛出异常，operator[] 不检查且行为未定义；前者调试安全但可能有轻微开销，后者性能略高但风险极大，优化后两者差异可忽略。

vector::at() 会做越界检查，operator[] 不会

vector::at() 在访问元素前会检查索引是否在 [0, size()) 范围内，越界时抛出 std::out_of_range 异常；而 operator[] 完全不检查，行为是未定义的（UB）——可能读到垃圾值、崩溃、静默错误，甚至看似“正常”运行。

常见错误现象：

• 用 vec[i] 访问 i == vec.size() 时程序没崩溃，但后续逻辑出错，调试困难
• 释放后的 vector 再用 [] 访问，触发内存错误（如 ASan 报 heap-use-after-free）
• 在 Release 模式下 [] 越界无提示，但 at() 仍会抛异常（除非编译器优化掉检查，但标准要求保留）

性能差异只在 Debug 下明显，Release 下几乎为零

Clang/GCC/MSVC 在 -O2 或更高优化级别下，at() 的边界检查常被编译器识别为冗余并消除——前提是索引来源可静态判定安全（例如循环变量 i ）。但若索引来自用户输入、文件或网络，则检查无法省略。

实操建议：

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• 开发和测试阶段优先用 at()，能快速暴露逻辑错误
• 热循环中确定索引绝对合法（如 for (size_t i = 0; i ），可换回 []，但收益通常小于 1% —— 不值得为此牺牲安全性
• 不要依赖 “Release 下 at() 比 [] 慢” 的直觉；实际应以 profile 数据为准，而非假设

operator[] 的未定义行为比想象中更危险

未定义不等于“大概率崩溃”。它可能表现为：

• 读取相邻对象的私有成员（尤其是 vector 存储 POD 类型时）
• 触发 CPU 硬件异常（如访问不可读页），但在某些平台被信号处理器吞掉
• 与 AddressSanitizer 冲突：ASan 会拦截 [] 越界并报错，但若你已用 at()，ASan 就不会介入——两者检测层级不同

关键点：at() 是语言级安全契约，[] 是裸指针级操作。c++ 标准明确说 operator[] “不执行检查”，这不是疏漏，而是留给程序员做零成本抽象的选项。

什么时候必须用 at()？

当索引来源不可信或未经验证时，at() 是唯一合理选择：

• 解析 jsON/YAML 后取数组第 N 项（N 来自字符串转换）
• GUI 中用户输入下标并点击“查看”
• 多线程环境下，size() 和访问之间存在竞态，此时 at() 的原子性检查比先判 i 再 [] 更可靠（虽不能替代锁，但至少不 UB）
• 单元测试中故意传非法索引，验证异常路径

安全不是靠运气撑住的。越界检查的成本早已被现代 CPU 和编译器摊薄，真正昂贵的是修复因未定义行为引发的偶发崩溃或数据损坏。