[C++] vector内存分配与释放机制

vector相关函数

• size()：vector当前拥有的元素个数

• capacity()：vector在必须分配新存储空间之前可以存储元素总数

  创建完vector之后，size和capacity都为0，但是向vector插入元素之后，会发生变化，通常capacity大于等于size，这是vector内存增长机制决定的

• push_back()：向vector最后插入一个元素，在调用push_back时，若当前的capacity已经不能够放入新的元素（capacity=size），那么vector会重新申请一块内存，把之前内存里的元素拷贝到新的内存当中，然后把push_back的元素拷贝到新的内存中，最后要析构原有vector并释放原有内存，所以说这个过程效率是极低的，为了避免频繁的分配内存，C++每次申请内存都会成倍增长

• reserve(a)：vector预留空间a，但是空间内不真正创建对象（capacity=a，size=0），加入元素时，调用push_back或者insert函数，若添加元素没有超出预留，那么不会对内存进行重新分配。若加入的元素个数超过reserve的值，就会触发push_back的空间预留机制

• resize(a, 0)：改变vector的大小，创建对象（指定或默认为0，初始capacity=size=a），此时再调用push_back函数，新元素是加在新的空间后面，同样也会触发push_back的空间预留机制

  vector类型提供resize操作来改变vector所包含的元素个数：如果当前vector长度大于新的长度值，则该vector后部的元素会被删除；如果当前vector长度小于新的长度值，则系统会在该vector后部添加新元素

  reserve()和resize()的区别：

  • reserve函数只有一个参数，即需要预留的空间；resize函数可以有两个参数，第一个参数是vector新的大小，第二个参数是要加入vector中的新元素，如果第二个参数省略，那么调用元素对象的默认构造函数
  • 当不超过预留空间时，reserve不涉及内存重新分配，resize会涉及内存重新分配。但是如果是对空vector的操作，二者看不出区别
  • reserve函数只修改capacity大小，不修改size大小
  • resize函数既修改capacity大小，也修改size大小

• clear(a)：清空vector中的元素，vector所占用的内存空间依然存在，无法保证内存的回收。一维vector.clear()，清空一维的元素，保留着列的capacity；二维vector.clear()，清空各行的列，并回收列内存，保留行的capacity

• a.swap(b)：将a中的元素和b中的元素进行整体交换

  • 利用swap去除vector多余的容量：vector< T >(x).swap(x)；x是当前要操作的vector，T是类型
  • 利用swap清空vector容器：vector< T >().swap(x)

vector内存增长的方式和特点

• vector容器的capacity可以增加，不可以减少

  当使用push_back、insert、emplace等成员函数的时候，可能会增加capacity；但是使用pop_back、erase、clear等成员函数的时候，并不会减少实际capacity，只是删除vector中的元素

• 向vector中新加入一个元素，比如使用push_back函数，当size大于capacity时，vector会重新找一块更大的内存，再把数据放进去。申请一块新的内存，把之前内存里面的元素拷贝到新内存中，把push_back的元素拷贝到新内存中，析构原有vector，释放原有内存

• vector支持快速的随机访问，vector中的元素以连续方式存放。当向vector添加一个元素的时候，为了满足连续存放的特性，需要重新分配空间、拷贝元素、撤销旧空间，这样性能难以接受。STL底层对vector进行内存分配时，实际分配的capacity要比当前所需要的size要大一些，即预留了一些额外的存储区，用于存放新添加的元素，这样就不必为每个新元素重新分配整个容器的内存空间

vector定义与内存分配

• 类外定义

  //一维vector
  vector<int> a(10);
  //二维vector
  vector<vector<int>> b(3, vector<int>(3, 0));
  

• 类中定义

  不能使用以上类外两种定义方式

  //一维vector，无法指定列长
  vector<int> a{1, 2, 3};
  //二维vector，无法指定列长
  vector<int> b(3, vector<int>{1, 2, 3});
  

vector定义方式

• 一维vector

  • 一开始知道列长

    vector<int> a(3, 0);
    

  • 一开始不知道列长，resize函数，实现按需分配

    vector<int> b;
    b.resize(20);
    

  • 一开始不知道列长，reverse函数和push_back函数，不建议使用，push_back函数可能带来内存溢出

    vector<int> c;
    c.reserve(25);
    for (int i = 0; i < 25; i++) {
        c.push_back(i);
    }
    

• 二维vector（类中定义）

  • 一开始知道行列信息，resize函数，按需分配

    vector<vector<int>> d(5);
    for (int i = 0; i < d.size(); i++) {
        d[i].resize(10);
    }
    

    当对空的vector采取resize，capacity=size

    对于一个已有元素的vector进行resize，或者resize之后的vector，push_back了一些元素，那么会触发内存预留机制

vector清空元素与内存释放

• vector的内存空间只增不减，初始化含有100个元素的vector，然后erase掉99个，留下一个有效元素，内存占用仍为100。内存空间是在vector析构时才被系统回收，同样使用clear之后，vector所占的内存空间依然不变

• vector的内存空间只增加不减少，erase和clear只是减少了size，并不会减少capacity，所以内存空间没有减少，使用swap可以释放内存空间

• vector()使用vector默认的构造函数建立临时vector对象，在该临时对象上调用swap成员，swap调用之后，原来的vector占用的空间就等于一个默认构造的对象的大小，临时对象就是原来对象的大小，而该临时对象随即就会被析构，从而占用的空间也被释放

  //swap成员函数清空vector容器
  vector<int>().swap(x);
  //构造的时候没有传递任何参数，意味着表达式调用的是vector模板类的默认构造函数，不是拷贝构造函数。生成一个空的vector，再借助swap函数将容器交换给x，清空x