C++STL（23） 研究std::vector的内存增长规律

Posted 2021-12-17 奇妙之二进制

一、前言

首先说明，vector可以理解为动态数组，既然是数组，那么它在内存中就应该是一块连续的内存，但vector是如何支持动态增长的呢？关于这个问题，网上有很对说法，但其中有些说法是错误的，最近看到有一篇博友的解释就非常正确vector空间动态增长，这里就针对的他的解释进行进一步的阐述，并进行实际验证。

二、vector内存增长方式

C++primer中多次明确指出对vector使用的建议是：先创建一个空的vector对象，然后再运行时再利用vector的成员函数push_back向其中添加元素。先以此来验证vector的内存的自动增长，程序说明为：创建一个空的vector a，然后采用push_back向其中添加元素，共迭代10次，运行环境为g++。

#include <iostream>
#include <vector>
using namespace std;
int main()

    vector<int> a;
    cout << "a.size(): " << a.size() << "	a.capacity(): " << a.capacity() << endl;
    for (int i = 0; i < 10; i++)
    
        a.push_back(i);
        cout << "a.size(): " << a.size() << "   a.capacity(): " << a.capacity() << endl;
    
    return 0;

运行结果为：

[外链图片转存失败,源站可能有防盗链机制,建议将图片保存下来直接上传(img-Te1t6q0r-1637481964249)(C:\\Users\\小静静\\AppData\\Roaming\\Typora\\typora-user-images\\image-20211121155312405.png)]

在分析结果之前，首先介绍与vector的内存布局，然后再介绍与内存增长相关的四个函数，分别为size()、capacity()、reserve()、resize()函数。

（1）vector内存布局

start迭代器指向已用空间的首元素，finish指向已用空间的尾元素的下一个位置，end_of_storage指向可用空间的末尾。

（2）size()、capacity()、reserve()、resize()函数

• size()函数返回的是已用空间大小，

• capacity()返回的是总空间大小，

• capacity()-size()则是剩余的可用空间大小。

当size()和capacity()相等，说明vector目前的空间已被用完，如果再添加新元素，则会引起vector空间的动态增长。

• reserve(n)预先分配一块较大的指定大小的内存空间，其中n为分配空间大小；
• resize()成员函数只改变元素的数目，不改变vector的容量。

再看刚刚的运行结果，首先可以确定，在VS2010的编译器里面每次并不是增长固定的内存，可以看出是增长当前内存的一倍。而且由于我们的程序没有调用reserve（n）函数预先分配一块内存，所以内存增长是编译器自动完成的。这个自动增长包括重新分配内存空间、拷贝原空间、释放原空间三个过程，具体策略为当添加元素时，如果vector空间大小不足，则会以原大小的2倍另外配置一块较大的新空间，然后将原空间内容拷贝过来，在新空间的内容末尾添加元素，并释放原空间。也就是说vector的空间动态增加大小，并不是在原空间之后的相邻地址增加新空间，因为vector的空间是线性连续分配的，不能保证原空间之后有可供配置的空间。这就解释了上述程序的运行结果。

但是，针对以上自动完成的内存增长过程，由于包括重新分配内存空间、拷贝原空间、释放原空间等步骤，这些过程会降低程序效率，因此可以使用reserve(n)预先分配一块较大的指定大小的内存空间，这样当指定大小的内存空间未使用完时，是不会重新分配内存空间的，这样便提升了效率。下面对上一个程序进行扩展如下，即再定义一个vector b，预先分配10个内存，进行11次push_back操作

#include <iostream>
#include <vector>
using namespace std;
int main()

    vector<int> a;
    cout << "a.size(): " << a.size() << "   a.capacity(): " << a.capacity() << endl;
    for (int i = 0; i < 10; i++)
    
        a.push_back(i);
        cout << "a.size(): " << a.size() << "   a.capacity(): " << a.capacity() << endl;
    
    cout << endl;
    vector<int> b;
    b.reserve(10);
    for (int i = 0; i < 10; i++)
    
        b.push_back(i);
        cout << "b.size(): " << b.size() << "   b.capacity(): " << b.capacity() << endl;
    
    b.push_back(11);
    cout << "b.size(): " << b.size() << "	b.capacity(): " << b.capacity() << endl;
    cout << endl;
    return 0;

运行结果如下：

可以看到，在调用了reserve（10）进行预先内存分配之后，前10次push_back操作vector b 的capacity并没有增长，但是在第11次push_back操作时，由于当前b的size() > capacity()，所以vector自动进行了内存扩充，由10变为20（2倍）。也就是说，前10次能避免每次都进行内存扩充，能有效提高效率，但是第11次就不会。但有一点要注意，如果在当前容量没有用完的情况下，再一次调用reserve(n)函数时， 只有当n > 当前capacity()时，vector当前容量才会改变。再对上述程序进行扩展，分别加上b.reserve(13)和reserve(25)，如下

#include <iostream>
#include <vector>
using namespace std;
int main()

    vector<int> a;
    cout << "a.size(): " << a.size() << "   a.capacity(): " << a.capacity() << endl;
    for (int i = 0; i < 10; i++)
    
        a.push_back(i);
        cout << "a.size(): " << a.size() << "   a.capacity(): " << a.capacity() << endl;
    
    cout << endl;
    vector<int> b;
    b.reserve(10);
    for (int i = 0; i < 10; i++)
    
        b.push_back(i);
        cout << "b.size(): " << b.size() << "   b.capacity(): " << b.capacity() << endl;
    
    b.push_back(11);
    cout << "b.size(): " << b.size() << "       b.capacity(): " << b.capacity() << endl;
    cout << endl;


    b.reserve(13);
    cout << "after b.reserve(13):" << endl;
    cout << "b.size(): " << b.size() << "       b.capacity(): " << b.capacity() << endl;

 
	b.reserve(25);
	cout << "after b.reserve(25):" << endl;
	cout << "b.size(): " << b.size() << "       b.capacity(): " << b.capacity() << endl;
	return 0;

运行结果为：

可以看到，在加上b.reserve(13)，容器b的capacity并没有由20变为13，但加上 b.reserve(25)时却变化了;这也验证了上述结论。
对于resize() 成员函数只改变元素的数目，不改变vector的容量的说法可以从下面的程序进行验证：

#include <iostream>
#include <vector>
using namespace std;
int main()

    vector<int> a;
    cout << "a.size(): " << a.size() << "   a.capacity(): " << a.capacity() << endl;
    for (int i = 0; i < 10; i++)
    
        a.push_back(i);
        cout << "a.size(): " << a.size() << "   a.capacity(): " << a.capacity() << endl;
    
    cout << endl;
    vector<int> b;
    b.reserve(10);
    for (int i = 0; i < 10; i++)
    
        b.push_back(i);
        cout << "b.size(): " << b.size() << "   b.capacity(): " << b.capacity() << endl;
    
    b.push_back(11);
    cout << "b.size(): " << b.size() << "       b.capacity(): " << b.capacity() << endl;
    cout << endl;

    b.reserve(13);
    cout << "after b.reserve(13):" << endl;
    cout << "b.size(): " << b.size() << "       b.capacity(): " << b.capacity() << endl;
     
    b.resize(5);
    cout << "after b.resize(5):" << endl;
    cout << "b.size(): " << b.size() << "       b.capacity(): " << b.capacity() << endl;
     
    for (int i = 0; i < b.size(); i++)
    
        cout << b[i] << endl;
    
    return 0;

运行结果为：

可以看到，在加上resize(5)之后，容器的capacity()并没有增长，只是size()变为了5，而且通过打印vector元素可知，只截取了前五个元素。