vector 容器的自增长

vector 容器的自增长

在容器对象中 insert 或压入一个元素时，该对象的大小增加 1。类似地，如果 resize 容器以扩充其容量，则必须在容器中添加额外的元素。标准库处理存储这些新元素的内存分配问题。

为了支持快速的随机访问，vector 容器的元素以连续的方式存放——每一个元素都紧挨着前一个元素存储。

已知元素是连续存储的，在容器内添加一个元素时，如果容器中已经没有空间容纳新的元素，此时，由于元素必须连续存储以便索引访问， 所以不能在内存中随便找个地方存储这个新元素。于是， vector 必须重新分配存储空间，用来存放原来的元素以及新添加的元素：存放在旧存储空间中的元素被复制到新存储空间里，接着插入新元素，最后撤销旧的存储空间。如果 vector 容器在在每次添加新元素时，都要这么分配和撤销内存空间，其性能将会非常慢，简直无法接受。

对于不连续存储元素的容器， 不存在这样的内存分配问题。例如， 在 list 容器中添加一个元素，标准库只需创建一个新元素，然后将该新元素连接在已存在的链表中，不需要重新分配存储空间，也不必复制任何已存在的元素。

由此可以推论：一般而言，使用 list 容器优于 vector 容器。但是，通常出现的反而是以下情况：对于大部分应用，使用 vector 容器是最好的。原因在于，标准库的实现者使用这样内存分配策略：以最小的代价连续存储元素。由此而带来的访问元素的便利弥补了其存储代价。

为了使 vector 容器实现快速的内存分配，其实际分配的容量要比当前所需的空间多一些。vector 容器预留了这些额外的存储区，用于存放新添加的元素。于是，不必为每个新元素重新分配容器。所分配的额外内存容量的确切数目因库的实现不同而不同。比起每添加一个新元素就必须重新分配一次容器，这个分配策略带来显著的效率。 事实上， 其性能非常好， 因此在实际应用中， 比起 list 和deque 容器，vector 的增长效率通常会更高。

capacity 和 reserve 成员

vector 容器处理内存分配的细节是其实现的一部分。然而，该实现部分是由 vector 的接口支持的。vector 类提供了两个成员函数：capacity 和reserve 使程序员可与 vector 容器内存分配的实现部分交互工作。capacity操作获取在容器需要分配更多的存储空间之前能够存储的元素总数， 而 reserve操作则告诉 vector 容器应该预留多少个元素的存储空间。

弄清楚容器的 capacity（容量）与 size（长度）的区别非常重要。size 指容器当前拥有的元素个数；而 capacity 则指容器在必须分配新存储空间之前可以存储的元素总数。

为了说明 size 和 capacity 的交互作用，考虑下面的程序：

vector<int> ivec;
// size should be zero; capacity is implementation defined
cout << "ivec: size: " << ivec.size()
<< " capacity: " << ivec.capacity() << endl;
// give ivec 24 elements
for (vector<int>::size_type ix = 0; ix != 24; ++ix)
ivec.push_back(ix);
// size should be 24; capacity will be >= 24 and is implementation defined
cout << "ivec: size: " << ivec.size()
<< " capacity: " << ivec.capacity() << endl;

运行该程序时，得到以下输出结果：

ivec: size: 0 capacity: 0
ivec: size: 24 capacity: 32

由此可见，空 vector 容器的 size 是 0，而标准库显然将其 capacity 也设置为 0。当程序员在 vector 中插入元素时，容器的 size 就是所添加的元素个数，而其 capacity 则必须至少等于 size，但通常比 size 值更大。在上述程序中， 一次添加一个元素， 共添加了 24 个元素， 结果其 capacity 为 32。 容器的当前状态如下图所示：

  

现在，可如下预留额外的存储空间：

ivec.reserve(50); // sets capacity to at least 50; might be more
// size should be 24; capacity will be >= 50 and is implementation defined
cout << "ivec: size: " << ivec.size()<< " capacity: " << ivec.capacity() << endl;

正如下面的输出结果所示，该操作保改变了容器的 capacity，而其 size 不变：

ivec: size: 24 capacity: 50

下面的程序将预留的容量用完：

// add elements to use up the excess capacity
while (ivec.size() != ivec.capacity())
ivec.push_back(0);
// size should be 50; capacity should be unchanged
cout << "ivec: size: " << ivec.size()
<< " capacity: " << ivec.capacity() << endl;

由于在该程序中，只使用了预留的容量，因此 vector 不必做任何的内存分配工作。事实上，只要有剩余的容量，vector 就不必为其元素重新分配存储空间。

其输出结果表明：此时我们已经耗尽了预留的容量，该容器的 size 和capacity 值相等：

ivec: size: 50 capacity: 50

此时，如果要添加新的元素，vector 必须为自己重新分配存储空间：

ivec.push_back(42); // add one more element
// size should be 51; capacity will be >= 51 and is implementation defined
cout << "ivec: size: " << ivec.size()
<< " capacity: " << ivec.capacity() << endl;

这段程序的输出：

ivec: size: 51 capacity: 100

表明：每当 vector 容器不得不分配新的存储空间时，以加倍当前容量的分配策略实现重新分配。

vector 的每种实现都可自由地选择自己的内存分配策略。然而，它们都必须提供 vector 和 capacity 函数，而且必须是到必要时才分配新的内存空间。分配多少内存取决于其实现方式。不同的库采用不同的策略实现。

此外，每种实现都要求遵循以下原则：确保 push_back 操作高效地在vector 中添加元素。从技术上来说，在原来为空的 vector 容器上 n 次调用push_back 函数，从而创建拥有 n 个元素的 vector 容器，其执行时间永远不能超过 n 的常量倍。