Коротко и по делу.
Почему указатель может стать недействительным
- Вызов `&v[0]` на пустом векторе — уже неопределённое поведение (UB), т.к. `v.size() == 0`. Используйте `v.data()` или проверяйте `v.empty()`. (число: $0$)
- Любая операция, которая приводит к перераспределению буфера вектора (reallocation), инвалидирует все указатели/итераторы/ссылки на элементы. Перераспределение происходит, когда перед `push_back` выполняется условие $\text{size}==\text{capacity}$ — тогда элементы копируются/переносятся в новый буфер, старые адреса становятся недействительными.
- Если перераспределения нет (достаточная capacity), то указатель останется валидным после `push_back`.
Как это связано с реализацией vector
- `std::vector` хранит элементы в одном непрерывном буфере. При переполнении буфера создаётся новый больший буфер и элементы перемещаются туда — именно это ломает все прежние указатели на элементы.
Способы безопасно сохранять доступ к элементам
- Не брать `&v[0]` на пустом векторе; использовать `v.data()` (возвращает `nullptr` для пустого вектора) или проверять `!v.empty()`.
- Забронировать память заранее: `v.reserve(n)` (например `v.reserve($100$)`) — тогда до достижения `capacity` новые `push_back` не вызовут реаллокацию и указатели останутся валидными.
- Получать указатель/итератор заново после любых операций, которые могли реаллокоировать контейнер: `p = v.data();` после `push_back`.
- Хранить индекс вместо указателя: `size_t i = 0;` — индекс не инвалидируется при реаллокации.
- Использовать контейнер с гарантией стабильных адресов узлов, например `std::list` или `std::forward_list`, если нужна стабильность адресов при вставках/удалениях (адреса элементов в списке остаются валидными, пока элемент не удалён).
Краткий пример безопасного варианта:
- заранее зарезервировать: `v.reserve($10$); int* p = v.data(); v.push_back($1$); // p всё ещё валиден`
- или обновлять: `v.push_back($1$); int* p = v.data(); // актуальный указатель`