C++ vector内存分配策略浅析

(给CPP开发者加星标，提升C/C++技能)

来源：邱国禄

https://blog.csdn.net/qiuguolu1108/article/details/107146184

vector是一个封装了动态大小数组的顺序容器，它能够存放各种类型的对象。可以删除元素、可以插入元素、可以查找元素，做这些工作我们无需管理容器内存。容器内存管理，这种脏活累活全部交由vector管理。了解一下vector的内存管理策略，能够更加充分的利用内存。

1、定义一个用于测试的类

class A
{
public:
    A(int data = 100)
        :data_(data)
    {
        construct_count_++;
        cout<<"constructor : "<<this<<endl;
    }

    A(const A& a)
    {
        copy_construct_count_++;
        cout<<this<<" : copy constructor form : "<<&a<<endl;
    }

    static void dis_construct_count()
    {
        cout<<"construct count: "<<construct_count_<<endl;
    }

    static void dis_copy_construct_count()
    {
        cout<<"copy construct count: "<<copy_construct_count_<<endl;
    }

    void display()
    {
        cout<<data_<<endl;
    }

    ~A()
    {
        cout<<"deconstructor : "<<this<<endl;
    }

private:
    int data_;
    static int construct_count_;
    static int copy_construct_count_;
};

int A::construct_count_ = 0;
int A::copy_construct_count_ = 0;

定义一个类，加上一些测试打印信息，帮助我们测试vector。

2、vector内存分配策略

vector是一个动态数组，它会根据元素的个数，适当的去申请内存。可以简单的把vector理解为，其内部有一个void*指针，用于指向在堆上申请的空间。void*指向的空间用于存放vector元素。vector一直维护着void*空间的大小，当void*指向的堆空间没有空间存放新插入的元素时，它都会去系统申请之前空间大小的两倍空间，并把之前的元素全部拷贝到新的空间，释放掉原空间，在新空间中插入新的元素。

3、vector使用示例

通过一个vector示例，说明vector是如何管理内存的。

vector<A> va;

A a,b,c,d,e;

cout<<endl<<"======================"<<endl;
va.push_back(a);

cout<<endl<<"======================"<<endl;
va.push_back(b);

cout<<endl<<"======================"<<endl;
va.push_back(c);
va.push_back(d);

cout<<endl<<"======================"<<endl;
va.push_back(e);

cout<<endl;

A::dis_construct_count();
A::dis_copy_construct_count();

cout<<endl;

运行结果如下图：
结合运行的结果，分析一下这些结果是怎么打印出来的。

3.1 生成vector<A> va容器对象

vector<A> va;

这条语句仅生成了va对象，并没有为va对象分配堆上空间。可以假设其内部的数据成员A*指向了nullptr。

3.2 构造5个A类型的对象

A a,b,c,d,e;

这个运行结果很好理解，就是通过构造器生成了5个类A对象。

3.3 向vector中推入对象a

cout<<endl<<"======================"<<endl;
va.push_back(a);

在向vector中推入元素之前，vector还没有分配保存类A对象的空间，再调用push_back()的时候，发现vector空间为空，则先去堆上申请一个空间，用于存放对象a。再将对象a存入vector的时候，发生了一次拷贝构造。

3.4 向vector中推入对象b

cout<<endl<<"======================"<<endl;
va.push_back(b);

再次向vector推入对象b，push_back()函数发现va容器中没有空间了，则它会再向系统申请两倍之前的空间。将之前的元素a拷贝到新空间，并将新元素b插入到a元素之后。最后将原来的空间释放掉，也就是原来的a对象会被释放掉。

3.5 向vector中推入对象c、d

    cout<<endl<<"======================"<<endl;
    va.push_back(c);
    va.push_back(d);

向va容器推入c对象，push_back()发现va没有空间了，现在容器中有两个元素，按照内存分配策略，这次push_back()内部的函数会向系统申请4个元素的空间，并把之前容器中的元素a、b全部拷贝到新空间，并释放原空间。之后插入元素c。再次插入d对象时，此时va容器正好有一个元素空间空闲，所以刚好把d对象放下。

3.6 向vector中推入对象e

cout<<endl<<"======================"<<endl;
va.push_back(e);

插入e对象的过程，和上面类似，如下图：

3.7 对象a、b、c、d、e和va容器的析构

类A对象的析构，直接调用其析构器就可以了。va容器的析构，首先要调用容器元素的析构器，再释放va所占用的空间。

3.8 vector会发生元素的大量搬动

vector<A> va;

A a;

for(int i=0;i<1024;i++)
{
    va.push_back(a);
}

A::dis_construct_count();
A::dis_copy_construct_count();

理想的情况下，应该只发生1024次拷贝构造，但这里却发生了2047次拷贝，多了近一半的"多余"拷贝构造。这不是我们想要的，大量的搬动元素，会早造成性能降低。

4、size()和capacity()函数

vector的成员函数size()，表示容器中实际存放元素的个数。capacity()函数表示vector此刻总共可以容纳元素的个数。其中capacity()函数的返回值才是vector实际占用空间的大小。

vector<A> va;

A a,b,c,d,e;

va.push_back(a);
va.push_back(b);
va.push_back(c);
va.push_back(d);
va.push_back(e);

cout<<"size     = "<<va.size()<<endl;
cout<<"capacity = "<<va.capacity()<<endl;

根据上面的分析，我们可知，现在的va向系统申请了8个可以存放类A的空间，其中va只使用了前5个空间，最后3个空间并没有使用。

重点：capacity()才是vector占用的实际空间，size()仅是vector使用空间的个数，极端情况下capacity()是size()的两倍左右。

vector<int> vi;

for(int i=0;i<1024+1;i++)
{
    vi.push_back(i);
}

cout<<"size     = "<<vi.size()<<endl;
cout<<"capacity = "<<vi.capacity()<<endl;

虽然存放了1025个元素，但vi容器却占用着2048个元素，空间有些浪费。

5、总结

本文通过一个示例，介绍了vector内存分配的策略。

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