Class中的容器问题

前些天工作中同事突然为我一句：class 中vector到底占用多大的空间？它占用的空间会不会随着push_back添加元素而产生越界呢？？当时听到这个问题是一头雾水，甚至有种被对方的分析说服。作为一个好奇心极强的程序员，我还是打开了VS探究了这其中的奥秘，现在就以大家最为熟悉的vector为例，讲讲vector到底是如何管理内存和如何在class 中被存储的。

为了解决以上的疑惑，我们先看vector的数据定义和内存分配策略，最后以一个实例来验证我们的猜想。

• vector 的数据结构定义：

template <class T, class Alloc = alloc>  class vector {...protected:  iterator start;                    //表示目前已使用空间的头  iterator finish;   //表示目前已使用空间的尾iterator end_of_storage;         //表示目前可用空间的尾（已分配）...public:  iterator begin() { return start; }  const_iterator begin() const { return start; }  iterator end() { return finish; }  const_iterator end() const { return finish; }  reverse_iterator rbegin() { return reverse_iterator(end()); }  const_reverse_iterator rbegin() const {     return const_reverse_iterator(end());   }  reverse_iterator rend() { return reverse_iterator(begin()); }  const_reverse_iterator rend() const {     return const_reverse_iterator(begin()); }//求取已使用容量  size_type size() const { return size_type(end() - begin()); }  size_type max_size() const { return size_type(-1) / sizeof(T); }  //求取目前可使用空间容量  size_type capacity() const { return size_type(end_of_storage - begin()); }  bool empty() const { return begin() == end(); }...}

由以上的数据结构定义可以看出vector的数据存储区主要是start,finish和end_of_storage这三个iterator构成，而一个iterator的大小刚好是一个指针的大小，所以vector 的对象大小就有可能是3个指针了，为例验证自己的想法，写了以下的一个简答的测试程序：

// ConsoleApplication1.cpp : 定义控制台应用程序的入口点。//#include "stdafx.h"#include <vector>#include <list>using namespace std;class Myclass{public:vector<int>m_vector;};int _tmain(int argc, _TCHAR* argv[]){Myclass instance;int num0 = sizeof(instance); //会是多少呢instance.m_vector.push_back(1);instance.m_vector.push_back(2);int num1 = sizeof(instance);//加入元素后是不是class的对象会改变size 呢?return 0;}

• 从上面的结果中可以看到vector 的大小变化，如下图所示:

由此可以知道的是vector的push_back 操作并不改变其大小，但是这也让我有了两个疑问：

1.vector 添加元素操作并没有改变类大小的话，那么添加的元素说明也就不在class的数据区了，那么它放在哪里了呢？ 

2.通过数据结构知道vector 中只有三个指针，为什么它的size不是12?

首先回答为什么size是16的问题，为此我们可以打开vector查看其中存储的数据：

从std::Vector_val中可以看出vector成员中的确包含上文提到的三个指针，并且从地址上看，它们是连续且属于class的数据区(可以从class对象的首地址看出)，只是其中多了一个std::Container_base12成员变量，通过查询其地址发现其与_Myfirst地址是相差8位，所以知道std::Container_base12成员变量也在class中，并且是一个容器指针（所有的STL容器都有）,因此也就好理解为什么是16了。

那么vector的元素数据是放在那里的呢，它又是如何实现数据的动态添加和管理的？为此我们可以看看vector的push_back时，计算机到底做了些什么：

 void push_back(const T& x) {    if (finish != end_of_storage) {  // 还有备用空间      construct(finish, x);   // 直接在备用空间中构建元素      ++finish;                          // 调整范围    }    else                                  // 已无备用空间      insert_aux(end(), x);  }template <class T, class Alloc>void vector<T, Alloc>::insert_aux(iterator position, const T& x) {  if (finish != end_of_storage) {  // 还有备用空间    // 在备用空间起始处构造一个元素，并以vector最后一个元素值为其初值      construct(finish, *(finish - 1));    ++finish;    // 以下做啥用？    T x_copy = x;    copy_backward(position, finish - 2, finish - 1);    *position = x_copy;  }  else {// 已无用空间    const size_type old_size = size();//此时的size（）等同于capacity（）    const size_type len = old_size != 0 ? 2 * old_size : 1;    // 以上配置原则：如果原大小为0，那么则配置1（个元素大小）    // 如果原大小不为0，那么配置原大小的2倍    // 前半段用来放置原数据，后半段用来放置新数据    iterator new_start = data_allocator::allocate(len); // 实际配置    iterator new_finish = new_start;    __STL_TRY {      // 复制      new_finish = uninitialized_copy(start, position, new_start);      construct(new_finish, x);      ++new_finish;      // 将安插点的原内容页拷贝过来（该函数也可能被insert（p,x）调用）      new_finish = uninitialized_copy(position, finish, new_finish);    }    catch(...) {      // "commit or rollback"（如果不成功那么一个都不留）      destroy(new_start, new_finish);       data_allocator::deallocate(new_start, len);      throw;    }    // 解构并释放原vector    destroy(begin(), end());    deallocate();    // 调整迭代器，指向新vector    start = new_start;    finish = new_finish;    end_of_storage = new_start + len;  }}

有以上代码很容容易看到，vector在添加元素时，依据添加元素的大小动态的在堆上分配内存，并且在其生命周期结束时又释放掉 分配的空间。因此通过 allocate 分配出来的地址空间并不和class中数据区空间（上文为栈）在同一位置，而是在堆中分配的地址。因此也就实现了数据在class中大小不变，只需要保存动态内存首地址存储就可，动态变化空间在堆中被动态分配与管理。


例子：

#include "stdafx.h"#include <vector>#include <list>#include <string>#include <map>using namespace std;class Myclass{public:vector<int>m_vector;int m_age;string m_name;map<int, int>m_map;};int _tmain(int argc, _TCHAR* argv[]){Myclass instance;int num0 = sizeof(instance);instance.m_vector.push_back(1);instance.m_vector.push_back(2);int num1 = sizeof(instance);//instance.m_list.push_back(10);return 0;}

通过断点调试，查看Myclass对象instance 中每一个元素的首地址知道：它们在数据区中是连续存储的；同时，通过查看vector中俩个int 类型的地址知，它们显然和class中其他成员变量的地址是不同的，依此知道容器中的元素是另外在堆中分配的，并且连续存储(下图中6fe888和6fe88c可以看出).这样也就不难解释为什么vector中添加元素不会引起class数据区的越界等问题了.

总结:

1.class的大小是其数据区元素的大小。

2.class中的数据成员是连续存储的。

3.容器变量在class中只是保留了三个指针和一个container，其元素的值是在堆中例外分配与管理的。

4.vector的大小是4个指针大小.。