初始化 C++ 向量的大小

Posted 2023-02-22

【中文标题】初始化 C++ 向量的大小

【英文标题】：Initializing the size of a C++ vector

【发布时间】：2014-08-03 20:36:29

【问题描述】：

初始化 C++ 向量以及其他容器的大小有哪些优点（如果有）？有什么理由不只使用默认的无参数构造函数吗？

基本上，两者之间是否存在显着的性能差异

vector<Entry> phone_book;

和

vector<Entry> phone_book(1000);

这些示例来自 Bjarne Stroustrup 的 The C++ Programming Language Third Edition。如果这些容器应该总是用一个大小来初始化，有没有一种好的方法来确定一个好的开始大小是多少？

【问题讨论】：

它们不需要用大小初始化，但如果你知道（或多或少）你会在性能上有很大的提升。它从大小 N 开始，添加 N + 1 个元素，它必须分配 2N 缓冲区并复制旧数据。这又是 2N + 1 等等......

是否需要构造1000个Entry对象？如果是，那么第二个版本就是这样做的。如果没有，那么你就不需要它。

@juanchopanza 绝对不是。这是书中的一个例子，这就是为什么它让我感到困惑，为什么他需要将它初始化为 1000。

是的，肯定有原因，如果你知道向量的初始状态将是默认初始化，最好这样，例如你需要初始化一个包含 1000 个计数器的向量（初始化为 0），你可以使用这个构造函数。

【参考方案1】：

有几种方法可以使用n 元素创建vector，当您事先不知道元素数量时，我什至会展示一些填充向量的方法。

但首先

不该做的事

std::vector<Entry> phone_book;
for (std::size_t i = 0; i < n; ++i)

    phone_book[i] = entry; // <-- !! Undefined Behaviour !!

如上例所示，默认构造向量会创建一个空向量。访问向量范围之外的元素是未定义的行为。不要期望得到一个很好的例外。未定义的行为意味着任何事情都可能发生：程序可能会崩溃，或者似乎可以工作，或者可能以一种不稳定的方式工作。请注意，使用reserve 不会改变向量的实际大小，即您无法访问超出向量大小的元素，即使您为它们保留。

现在分析了一些选项

默认 ctor + push_back （次优）

std::vector<Entry> phone_book;
for (std::size_t i = 0; i < n; ++i)

    phone_book.push_back(entry);

这样做的缺点是当你推回元素时会发生重新分配。这意味着内存分配、元素移动（或复制，如果它们是不可移动的，或者对于 pre c++11）和内存释放（带有对象销毁）。对于一个相当大的n，这很可能会发生不止一次。值得注意的是，push_back 保证了“摊销常数”，这意味着它不会在每个push_back 之后进行重新分配。每次重新分配都会以几何方式增加大小。进一步阅读：std::vector and std::string reallocation strategy

当您事先不知道尺寸，甚至没有估计尺寸时，请使用此选项。

"count default-inserted instances of T" ctor with later assignment（不推荐）

std::vector<Entry> phone_book(n);
for (auto& elem : phone_book)

    elem = entry;

这不会导致任何重新分配，但所有n 元素将最初默认构造，然后为每次推送复制。这是一个很大的缺点，并且对性能的影响很可能是可以衡量的。 （这对于基本类型不太明显）。

不要使用它，因为几乎每种情况都有更好的选择。

“计算元素的副本数”ctor （推荐）

std::vector<Entry> phone_book(n, entry);

这是最好的使用方法。当您在构造函数中提供所需的所有信息时，它将进行最有效的分配+分配。如果Entry 有一个简单的复制构造函数，这有可能导致无分支代码，以及用于赋值的矢量化指令。

默认 ctor + reserve + push_back （根据情况推荐）

vector<Entry> phone_book;
phone_book.reserve(m);

while (some_condition)

     phone_book.push_back(entry);


// optional
phone_book.shrink_to_fit();

不会发生重新分配，对象只会被构造一次，直到您超过预留容量。 push_back 的更好选择可以是 emplace_back。

如果你有一个粗略的大小，请使用这个。

储备价值没有神奇的公式。针对您的特定场景使用不同的值进行测试，以获得应用程序的最佳性能。最后你可以使用shrink_to_fit。

默认 ctor + std::fill_n 和 std::back_inserter （根据情况推荐）

#include <algorithm>
#include <iterator>

std::vector<Entry> phone_book;

// at a later time
// phone_book could be non-empty at this time
std::fill_n(std::back_inserter(phone_book), n, entry);

如果您需要在创建矢量后向矢量填充或添加元素，请使用此选项。

默认 ctor + std::generate_n 和 std::back_inserter （用于不同的 entry 对象）

Entry entry_generator();

std::vector<Entry> phone_book;
std::generate_n(std::back_inserter(phone_book), n, []  return entry_generator(); );

如果每个entry 都不同并且从生成器获得，则可以使用它

初始化器列表（奖励）

既然这已经成为一个很大的答案，超出了问题的范围，如果我没有提到初始化列表构造函数，我将被淘汰：

std::vector<Entry> phone_bookentry0, entry1, entry2, entry3;

在大多数情况下，当您有一小部分初始值用于填充向量时，这应该是默认的首选构造函数。

---

一些资源：

std::vector::vector (constructor)

std::vector::insert

standard algorithm library（与std::generatestd::generate_nstd::fillstd::fill_n等）

std::back_inserter

【讨论】：

值得一提的是vector phone_book(n);在 c++11 和 c++11 之后具有不同的行为。在 c++11 之前，将构造一个 Entry 实例，然后复制 n 次。在c++11之后，会创建n个Entry实例。这是使用指针类时的重要信息，它还初始化对象（可能使用新对象），vector phone_book(n);直到 c++11 实际复制地址 n 次，本质上指向同一个对象。

【参考方案2】：

如果您事先知道大小是多少，那么您应该对其进行初始化，以便只分配一次内存。如果您对大小只有一个粗略的了解，那么您可以使用默认构造函数创建向量，然后保留一个近似正确的数量，而不是像上面那样分配存储空间；例如

vector<Entry> phone_book();
phone_book.reserve(1000);

// add entries dynamically at another point

phone_book.push_back(an_entry);

编辑：

@juanchopanza 提出了一个很好的观点——如果你想避免默认构造对象，那么如果你有一个移动构造函数，请保留并使用push_back，或者直接在原地构造使用emplace_back。

【讨论】：

如果您提前知道大小并且您需要 1000 个默认构造的 Entry 对象。否则，您必须考虑是否真的要使用 size 构造函数。

@juanchopanza 请注意，在 C++11 之前，这 1000 个条目实际上是一个构造条目的副本。 c++11之后，实际会构造1000个条目。

【参考方案3】：

当您对需要存储在向量中的元素数量有一个很好的了解时，您可以初始化大小。如果您正在从数据库或其他来源检索数据，例如您知道其中有 1000 个元素，那么继续为向量分配一个内部数组来保存这么多数据是有意义的。如果您事先不知道所需的大小，那么可以让向量随着时间的推移按需增长。

正确答案取决于您的应用程序及其特定用例。您可以根据需要测试性能并调整大小。通常最好让事情正常工作，然后再回去测试这些变化的影响。很多时候你会发现默认值工作得很好。

【参考方案4】：

这是 Bjarne Stroustrup 的一个坏例子。 而不是第二个定义a

vector<Entry> phone_book(1000);

这样写会更好

vector<Entry> phone_book;
phone_book.reserve( 1000 );

没有通用的“好方法”来确定开始时的合适尺寸。这取决于您拥有的有关该任务的信息。但无论如何，如果您确定将新元素添加到向量中，您可以使用一些初始分配。

【讨论】：

为什么第一种方式不好？

@svenoaks 看到我的回答

据我所知，第一种方法在初始化向量时构造了 1000 个入口对象，而第二种方法只是为它保留空间。

@svenoaks 第一种方法很糟糕，因为您构造了 1000 个 Entry 类型的对象，尽管尚不清楚 1）您是否将使用所有 1000 个对象和 2）您是否确实需要调用默认构造函数给定的条目，或者您需要使用参数调用构造函数。我确信当您拥有有关添加条目（例如姓名、电话号码等）的信息时，最好使用参数调用构造函数。