STL中Vector的内存分配机制

一些好的公司校园招聘过程中（包括笔试、面试环节），经常会涉及到STL中vector的使用（主要是笔试）及其性能（面试）的分析。今天看了下相关文章，也写了几个小的测试程序跑了跑。算是总结下，希望对需要的人有帮助。

关于vector，简单地讲就是一个动态数组，里面有一个指针指向一片连续的内存空间，当空间不够装下数据时会自动申请另一片更大的空间，然后把原有数据拷贝过去，接着释放原来的那片空间；当释放或者说是删除里面的数据时，其存储空间并不会释放，仅仅只是清空了里面的数据。接下来，我会详细地说说这些。

备注：本文的相关程序都是在windows 7+VS2008环境下测试。

一、首先，看看vector的内存分配机制：

[cpp] view plain copy

1. vector<int> arr;  
2. ofstream wf("1.txt");  
3. for(int i=0;i<100;++i)  
4. {  
5.     arr.push_back(i);  
6.     wf<<"capacity="<<arr.capacity()<<",size="<<arr.size()<<end;  
7. }  
8. wf.close();  

capacity()返回的是当前vector对象缓冲区（后面的对vector维护的内存空间皆称为缓冲区）实际申请的空间大小，而size()返回的是当前对象缓冲区中存储数据的个数，capacity永远是大于等于size的，当size和capacity相等时继续添加数据时vector会扩容。

再来看看1.txt中的数据：

capacity=1,size=1
capacity=2,size=2
capacity=3,size=3
capacity=4,size=4
capacity=6,size=5
capacity=6,size=6
capacity=9,size=7
capacity=9,size=8
capacity=9,size=9
capacity=13,size=10
capacity=13,size=11
capacity=13,size=12
capacity=13,size=13
capacity=19,size=14
capacity=19,size=15
capacity=19,size=16
capacity=19,size=17
capacity=19,size=18
capacity=19,size=19
capacity=28,size=20
capacity=28,size=21
capacity=28,size=22
capacity=28,size=23
capacity=28,size=24
capacity=28,size=25
capacity=28,size=26
capacity=28,size=27
capacity=28,size=28
capacity=42,size=29
capacity=42,size=30
capacity=42,size=31
capacity=42,size=32
capacity=42,size=33
capacity=42,size=34
capacity=42,size=35
capacity=42,size=36
capacity=42,size=37
capacity=42,size=38
capacity=42,size=39
capacity=42,size=40
capacity=42,size=41
capacity=42,size=42
capacity=63,size=43
capacity=63,size=44
capacity=63,size=45
capacity=63,size=46
capacity=63,size=47
capacity=63,size=48
capacity=63,size=49
capacity=63,size=50
capacity=63,size=51
capacity=63,size=52
capacity=63,size=53
capacity=63,size=54
capacity=63,size=55
capacity=63,size=56
capacity=63,size=57
capacity=63,size=58
capacity=63,size=59
capacity=63,size=60
capacity=63,size=61
capacity=63,size=62
capacity=63,size=63
capacity=94,size=64
capacity=94,size=65
capacity=94,size=66
capacity=94,size=67
capacity=94,size=68
capacity=94,size=69
capacity=94,size=70
capacity=94,size=71
capacity=94,size=72
capacity=94,size=73
capacity=94,size=74
capacity=94,size=75
capacity=94,size=76
capacity=94,size=77
capacity=94,size=78
capacity=94,size=79
capacity=94,size=80
capacity=94,size=81
capacity=94,size=82
capacity=94,size=83
capacity=94,size=84
capacity=94,size=85
capacity=94,size=86
capacity=94,size=87
capacity=94,size=88
capacity=94,size=89
capacity=94,size=90
capacity=94,size=91
capacity=94,size=92
capacity=94,size=93
capacity=94,size=94
capacity=141,size=95
capacity=141,size=96
capacity=141,size=97
capacity=141,size=98
capacity=141,size=99
capacity=141,size=100

数据有点多，提炼下就是这样的：

capacity=1
capacity=2
capacity=3
capacity=4
capacity=6
capacity=9
capacity=13
capacity=19
capacity=28
capacity=42
capacity=63
capacity=94
capacity=141

看出其中的规律没？对，就是每次扩容都是增加当前空间的50%(第一次除外);

9+9/2=13;13+13/2=19;19+19/2=28……

其实STL的源码我们都可以看到的，具体就在你说安装的编译器目录下，例如，我的VS2008是在：安装目录\VC\include下面。你也可以在VS中直接选中#include <vector>右键打开。当然了，windows上的STL源码都是P.J. Plauger写的（PS:很牛B的博士，百度你就知道），大家都说可读性极差，我也这么认为，我们这些菜鸟还是看GCC中的STL源码吧。

\VC\include\vector中是这样扩容的：

[cpp] view plain copy

1. if (_Count == 0)//这里进行了判断，但是什么都不做，不知道为什么？？？？？？？  
2.             ;  
3.         else if (max_size() - size() < _Count)//编译器可以申请的最大容量也装不下，抛出异常_THROW(length_error, "vector<T> too long");  
4.             _Xlen();    // result too long  
5.         else if (_Capacity < size() + _Count)//当前空间不足，需要扩容  
6.             {   // not enough room, reallocate  
7.             _Capacity = max_size() - _Capacity / 2 < _Capacity  
8.                 ? 0 : _Capacity + _Capacity / 2;    // try to grow by 50%，扩容50%  
9.             if (_Capacity < size() + _Count)//扩容50%后依然不够容下，则使容量等于当前数据个数加上新增数据个数  
10.                 _Capacity = size() + _Count;  
11.             pointer _Newvec = this->_Alval.allocate(_Capacity);//申请新的空间  
12.             pointer _Ptr = _Newvec;  
13.   
14.             _TRY_BEGIN  
15.             _Ptr = _Umove(_Myfirst, _VEC_ITER_BASE(_Where),  
16.                 _Newvec);   // copy prefix  <span style="white-space:pre">    </span>//拷贝原有数据到新的内存中  
17.             _Ptr = _Ucopy(_First, _Last, _Ptr); // add new stuff<span style="white-space:pre">    </span>//拷贝新增数据到新的内存的后面  
18.             _Umove(_VEC_ITER_BASE(_Where), _Mylast, _Ptr);  // copy suffix  
19.             _CATCH_ALL  
20.             _Destroy(_Newvec, _Ptr);  
21.             this->_Alval.deallocate(_Newvec, _Capacity);//释放原来申请的内存  
22.             _RERAISE;  
23.             _CATCH_END  

对的，就是每次扩容50%。至于删除容器中数据的时候，缓冲区大小并不会改变，仅仅只是清楚了其中的数据，只有在析构函数调用的时候vector才会自动释放缓冲区。

看看它的析构代码：

[cpp] view plain copy

1. ~vector()  
2.     {   // destroy the object  
3.     _Tidy();  
4.     }  

[cpp] view plain copy

1. void _Tidy()  
2. {// free all storage  
3. if (_Myfirst != 0)  
4. {// something to free, destroy and deallocate it  
5.   
6.   
7.  #if _HAS_ITERATOR_DEBUGGING  
8. this->_Orphan_all();  
9.  #endif /* _HAS_ITERATOR_DEBUGGING */  
10.   
11.   
12. _Destroy(_Myfirst, _Mylast);//应该是销毁vector中的每一个元素吧  
13. this->_Alval.deallocate(_Myfirst, _Myend - _Myfirst);//释放缓冲区的空间  
14. }  
15. _Myfirst = 0, _Mylast = 0, _Myend = 0;//指针全部归零  
16. }  

那么，我们可以在需要的时候强制释放缓冲区不？

二、如何强制释放vector的缓冲区:

答案是可以的，既然析构时会释放空间，那么我们就可以换个方式调用析构函数。

[cpp] view plain copy

1. //  //方法一、  

[cpp] view plain copy

1.     vector<int>().swap(arr); //交换后  
2. //方法二、  
3. {  
4.     vector<int> temp;//临时对象未初始化，其缓冲区大小为0，没有数据  
5.     arr.swap(temp);//与我们的对象交换数据，arr的缓冲区就没了。  
6. }//临时变量会被析构，temp调用vector析构函数释放空间  

三、如何使用提高性能：

为了比较，我们用了三种方式来把100个数据存入vector中，分别是：1、直接每次push_back();2、使用resize()提前分配100个空间，然后push_back;3、使用reserve提前分配100个存储空间。MSDN中，这两个个函数的说明分别是：

reserveReserves a minimum length of storage for a vector object, allocating space if necessary.

resizeSpecifies a new size for a vector.

在这里我们初始化的时候使用感觉好像是差不多。

[cpp] view plain copy

1. clock_t start=clock();  
2.     for(int num=0;num<10000;++num)  
3.     {  
4.         vector<int> v1;  
5.         for(int i=0;i<100;++i)  
6.             v1.push_back(i);  
7.     }  
8.     cout<<"直接push循环10000次用时："<<clock()-start<<endl;  
9.     start=clock();  
10.     for(int num=0;num<10000;++num)  
11.     {  
12.         vector<int> v2;  
13.         v2.resize(100);  
14.         for(int i=0;i<100;++i)  
15.             v2.push_back(i);  
16.     }  
17.     cout<<"先resize预设大小再push循环10000次用时："<<clock()-start<<endl;  
18.     start=clock();  
19.     for(int num=0;num<10000;++num)  
20.     {  
21.         vector<int> v3;  
22.         v3.reserve(100);  
23.         for(int i=0;i<100;++i)  
24.             v3.push_back(i);  
25.     }  
26.     cout<<"先reserve预设大小再push循环10000次用时："<<clock()-start<<endl;  

结果却不尽相同

reserve只是保持一个最小的空间大小，而resize则是对缓冲区进行重新分配，里面涉及到的判断和内存处理比较多，当然了在这里由于最初都是空的所以差别不大。

两者的区别查看：vector::reserve和vector::resize的区别。

由此可见，对于数据数目可以确定的时候，先预设空间大小是很有必要的。直接push_back数据频繁移动很是耗时（当然了，数据小的可以忽略的）。

真个测试程序的完整代码如下

[cpp] view plain copy

1. #include "stdafx.h"  
2. #include "btree.h"  
3. #include <vector>  
4. #include <iostream>  
5. #include <Windows.h>  
6. #include <fstream>  
7. #include <time.h>  
8. using std::ofstream;  
9. using std::cout;  
10. using std::endl;  
11. using std::vector;  
12. int _tmain(int argc, _TCHAR* argv[])  
13. {  
14.     /************************************************************************/  
15.     /* vector如何强制释放内存空间                                         */  
16.     /* 默认只有析构时才会释放                                              */  
17.     /************************************************************************/  
18.     vector<int> arr;  
19.     cout<<"默认情况未初始化时，capacity="<<arr.capacity()<<endl;  
20.     arr.resize(100,100);  
21.     arr.reserve(50);  
22.     arr.resize(50);  
23.     cout<<"现在，capacity="<<arr.capacity()<<endl;  
24.     vector<int>::iterator itor=arr.begin()+10;  
25.     arr.erase(arr.begin(),itor);  
26.     cout<<"capacity="<<arr.capacity()<<",size="<<arr.size()<<endl;  
27. //  //方法一、  
28.     vector<int>().swap(arr); //强制释放空间  
29.     //方法二、  
30.     {  
31.         vector<int> temp;  
32.         arr.swap(temp);  
33.     }//临时变量会被析构  
34.     cout<<"capacity="<<arr.capacity()<<",size="<<arr.size()<<endl;  
35.     clock_t start=clock();  
36.     for(int num=0;num<10000;++num)  
37.     {  
38.         vector<int> v1;  
39.         for(int i=0;i<100;++i)  
40.             v1.push_back(i);  
41.     }  
42.     cout<<"直接push循环10000次用时："<<clock()-start<<endl;  
43.     start=clock();  
44.     for(int num=0;num<10000;++num)  
45.     {  
46.         vector<int> v2;  
47.         v2.resize(100);  
48.         for(int i=0;i<100;++i)  
49.             v2[i] = i;  
50.     }  
51.     cout<<"先resize预设大小再push循环10000次用时："<<clock()-start<<endl;  
52.     start=clock();  
53.     for(int num=0;num<10000;++num)  
54.     {  
55.         vector<int> v3;  
56.         v3.reserve(100);  
57.         for(int i=0;i<100;++i)  
58.             v3.push_back(i);  
59.     }  
60.     cout<<"先reserve预设大小再push循环10000次用时："<<clock()-start<<endl;  
61.     vector<int> v4;  
62.     ofstream wf("2.txt");  
63.     int nFlag=v4.capacity();  
64.     for(int i=0;i<100;++i)  
65.     {  
66.         v4.push_back(i);  
67.         if(nFlag!=v4.capacity())  
68.         {  
69.             nFlag=v4.capacity();  
70.             cout<<"new buffer size="<<nFlag<<endl;  
71.             wf<<"capacity="<<nFlag<<endl;  
72.         }  
73.     }  
74.     wf.close();  
75.     cout<<"max_size="<<arr.max_size()<<endl;  
76.     return 0;  
77. }  

参考了一些前辈的文章，能力有限，欢迎指教，相互学习。