vector的增长模式

引言

我们都知道vector对象是动态存储的，从这一点看有点像链表，可以动态的增加或减少元素。我们也知道链表中是有指针变量，专门用于存储上一个和下一个元素的地址。正是因为这两个指针的存在，我们才能做到动态的存储数据，即不用像数组那样必须事先申请好空间。链表的缺点就是不能够快速的随机访问其中元素，必须通过指针层层查找。

但是，vector既可以实现动态存储数据，而且支持快速随机访问（用下标或者指针访问元素）。对于能够用下标查找的数据类型，其存储方式必定是连续的，即每个元素紧挨着前一个元素存储。

这样对于vector来说，就会出现一个问题，我在初始定义vector的时候该给其申请多少内存空间？如果申请的很小，那么我来了新的数据改存放在哪里？如果申请的很大，我用不完，那岂不是很浪费内存空间？

当然对于vector这种标准库类型，通常我们只关心如何使用它，而不关心其实如何实现的。不过对于其在存储空间的实现方式还是了解一下比较好。

我们知道容器中元素连续存储，且容器大小是可变的，考虑向vector中添加元素会发生什么？如果没有空间容纳新的元素，容器不可能简单的将其添加到内存的其他位置，因为vector的元素必须连续存储。因此容器必须分配新的空间来保存已用的元素和新的元素。将已有元素从旧位置移动到新空间，然后添加新元素，释放旧空间。如果说我们每添加一个新的元素就执行一次这样的操作，显然性能会慢到我们不可接受。

为了避免上面的代价，标准库采用了可以减少容器空间重新分配的策略。当不得不获取新的内存空间时，vector的实现通常会分配比新的空间需求更大的内存空间。容器预留这些空间作为备用，从而用来保存更多新的元素。这样，就不需要每次添加新的元素都重新分配容器的内存空间了。

在插入新元素时，若遇到已分配容量不足的情况，会自动拓展容量大小，而这个拓展容量的过程为：

• 开辟另外一块更大的内存空间，该空间大小通常为原空间大小的两倍(理论分析上是1.5最好，但从时间和空间上综合考虑，一般取2)；
• 将原内存空间中的数据拷贝到新开辟的内存空间中；
• 析构原内存空间的数据，释放原内存空间，并调整各种指针指向新内存空间。

vector类型提供了一些成员函数，允许我们与它的现实中内存分配部分互动。

c.capacity()     不重新分配内存空间的话，c可以保存多少元素

c.reserve(n)     分配至少能容纳n个元素的内存空间

c.shrink_to_fit()  将capacity()减少为size()相同大小,size()为vector已经保存元素个数。

预先保留空间—reserve() 和 resize() 函数。

reserve（）是容器预留空间，但并不真正创建元素对象，在创建对象之前，不能引用容器内的元素，因此当加入新的元素时，需要用push_back()/insert()函数。
resize是改变容器的大小，并且创建对象，因此，调用这个函数之后，就可以引用容器内的对象了，因此当加入新的元素时，用operator[]操作符，或者用迭代器来引用元素对象。
再者，两个函数的形式是有区别的，reserve函数之后一个参数，即需要预留的容器的空间；resize函数可以有两个参数，第一个参数是容器新的大小，第二个参数是要加入容器中的新元素，如果这个参数被省略，那么就调用元素对象的默认构造函数。下面是这两个函数使用例子：

vector<int> myVec;
 
myVec.reserve( 100 );     // 新元素还没有构造,
 
                          // 此时不能用[]访问元素
 
for (int i = 0; i < 100; i++ )
 
...{
 
     myVec.push_back( i ); //新元素这时才构造
 
}
 
myVec.resize( 102 );      // 用元素的默认构造函数构造了两个新的元素
 
myVec[100] = 1;           //直接操作新元素
 
myVec[101] = 2;

空间归还—shrink_to_fit()

如代码

int main()
{
    vector<int> v1;
    for (int i = 1; i < 11; i++)
    {
        v1.push_back(i);
    }
    cout << "capacity = " << v1.capacity() << "    " << "size = " << v1.size() << endl;
    v1.shrink_to_fit();
    cout << v1.capacity() << endl;
 
}

从结果中可以看出，当 内存用不完的时候，可以请求系统归还内存，最后，使得 capacity()==size()

空间释放—swap()

需要注意的是，如果采用vector存储数据，执行clear()并不能释放内存，它只是清空了数据，其实这个问题在《Effective STL》中的“条款17”已经指出了

当vector、string大量插入数据后，即使删除了大量数据（或者全部都删除，即clear） 并没有改变容器的容量（capacity），所以仍然会占用着内存。 为了避免这种情况，我们应该想办法改变容器的容量使之尽可能小的符合当前 数据所需（shrink to fit）

《Effective STL》给出的解决方案是：

vector<type> v;
//.... 这里添加许多元素给v
//.... 这里删除v中的许多元素
vector<type>(v).swap(v);
//此时v的容量已经尽可能的符合其当前包含的元素数量
//对于string则可能像下面这样
string(s).swap(s);

下面是网友的测试代码

#include <iostream>
#include <vector>

using namespace std;

vector <string> v;
char ch;

int main ()
{

    for(int i=0; i<1000000; i++)
        v.push_back("abcdefghijklmn");
    cin >> ch;
    // 此时检查内存情况 占用54M

    v.clear();
    cin >> ch;
    // 此时再次检查， 仍然占用54M

    cout << "Vector 的 容量为" << v.capacity() << endl;
    // 此时容量为 1048576

    vector<string>(v).swap(v);

    cout << "Vector 的 容量为" << v.capacity() << endl;
    // 此时容量为0
    cin >> ch;
    // 检查内存，释放了 10M+ 即为数据内存
    return 0;
}

当然，上面这种方法虽然释放了内存，但是同时也增加了拷贝数据的时间消耗。 不过一般需要重新调整容量的情况都是 vector本身元素较少的情况，所以 时间消耗可以忽略不计。

因此建议以后大家都将调用 clear() 改为 swap() 吧。

参考文献

https://blog.csdn.net/autocyz/article/details/45194001

https://blog.csdn.net/dengheCSDN/article/details/78984842

https://lgcagithub.github.io/2016/08/20/cpp-std-vector-grow/

http://www.drdobbs.com/c-made-easier-how-vectors-grow/184401375

https://www.zhihu.com/question/36538542

http://blog.jobbole.com/37700/