【C++】vector内存机制和性能分析

转自：https://blog.csdn.net/mfcing/article/details/8746256

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

vector<int> arr;
ofstream wf("1.txt");
for(int i=;i<;++i)
{
    arr.push_back(i);
    wf<<"capacity="<<arr.capacity()<<",size="<<arr.size()<<end;
}
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：

if (_Count == )//这里进行了判断，但是什么都不做，不知道为什么？？？？？？？
            ;
        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");
            _Xlen();    // result too long
        else if (_Capacity < size() + _Count)//当前空间不足，需要扩容
            {    // not enough room, reallocate
            _Capacity = max_size() - _Capacity /  < _Capacity
                ?  : _Capacity + _Capacity / ;    // try to grow by 50%，扩容50%
            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
                _Capacity = size() + _Count;
            pointer _Newvec = this->_Alval.allocate(_Capacity);//申请新的空间
            pointer _Ptr = _Newvec;

            _TRY_BEGIN
            _Ptr = _Umove(_Myfirst, _VEC_ITER_BASE(_Where),
                _Newvec);    // copy prefix  <span style="white-space:pre">    </span>//拷贝原有数据到新的内存中
            _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
            _Umove(_VEC_ITER_BASE(_Where), _Mylast, _Ptr);    // copy suffix
            _CATCH_ALL
            _Destroy(_Newvec, _Ptr);
            this->_Alval.deallocate(_Newvec, _Capacity);//释放原来申请的内存
            _RERAISE;
            _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，仅仅只是清除了其中的数据，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：

    ~vector()
        {    // destroy the object
        _Tidy();
        }

void _Tidy()
{// free all storage
if (_Myfirst != )
{// something to free, destroy and deallocate it

 #if _HAS_ITERATOR_DEBUGGING
this->_Orphan_all();
 #endif /* _HAS_ITERATOR_DEBUGGING */

_Destroy(_Myfirst, _Mylast);//应该是销毁vector中的每一个元素吧
this->_Alval.deallocate(_Myfirst, _Myend - _Myfirst);//释放缓冲区的空间
}
_Myfirst = , _Mylast = , _Myend = ;//指针全部归零
}

那么，我们可以在需要的时候强制释放缓冲区不？
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。

二、如何强制释放vector的缓冲区

    //方法一、
    vector<int>().swap(arr); //交换后

    //方法二、
    {
        vector<int> temp;//临时对象未初始化，其缓冲区大小为0，没有数据
        arr.swap(temp);//与我们的对象交换数据，arr的缓冲区就没了。
    }//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：

reserve： Reserves a minimum length of storage for a vector object, allocating space if necessary.

resize：    Specifies 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。

clock_t start=clock();
    for(int num=;num<;++num)
    {
        vector<int> v1;
        for(int i=;i<;++i)
            v1.push_back(i);
    }
    cout<<"直接push循环10000次用时："<<clock()-start<<endl;
    start=clock();
    for(int num=;num<;++num)
    {
        vector<int> v2;
        v2.resize();
        for(int i=;i<;++i)
            v2.push_back(i);
    }
    cout<<"先resize预设大小再push循环10000次用时："<<clock()-start<<endl;
    start=clock();
    for(int num=;num<;++num)
    {
        vector<int> v3;
        v3.reserve();
        for(int i=;i<;++i)
            v3.push_back(i);
    }
    cout<<"先reserve预设大小再push循环10000次用时："<<clock()-start<<endl;

结果如下所示

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）。

整个程序的完整代码

#include "stdafx.h"
#include "btree.h"
#include <vector>
#include <iostream>
#include <Windows.h>
#include <fstream>
#include <time.h>
using std::ofstream;
using std::cout;
using std::endl;
using std::vector;
int _tmain(int argc, _TCHAR* argv[])
{
    /************************************************************************/
    /* vector如何强制释放内存空间                                            */
    /* 默认只有析构时才会释放                                                */
    /************************************************************************/
    vector<int> arr;
    cout<<"默认情况未初始化时，capacity="<<arr.capacity()<<endl;
    arr.resize(,);
    arr.reserve();
    arr.resize();
    cout<<"现在，capacity="<<arr.capacity()<<endl;
    vector<int>::iterator itor=arr.begin()+;
    arr.erase(arr.begin(),itor);
    cout<<"capacity="<<arr.capacity()<<",size="<<arr.size()<<endl;
    //方法一、
     vector<int>().swap(arr); //强制释放空间
    //方法二、
    {
        vector<int> temp;
        arr.swap(temp);
    }//临时变量会被析构
    cout<<"capacity="<<arr.capacity()<<",size="<<arr.size()<<endl;
    clock_t start=clock();
    for(int num=;num<;++num)
    {
        vector<int> v1;
        for(int i=;i<;++i)
            v1.push_back(i);
    }
    cout<<"直接push循环10000次用时："<<clock()-start<<endl;
    start=clock();
    for(int num=;num<;++num)
    {
        vector<int> v2;
        v2.resize();
        for(int i=;i<;++i)
            v2[i] = i;
    }
    cout<<"先resize预设大小再push循环10000次用时："<<clock()-start<<endl;
    start=clock();
    for(int num=;num<;++num)
    {
        vector<int> v3;
        v3.reserve();
        for(int i=;i<;++i)
            v3.push_back(i);
    }
    cout<<"先reserve预设大小再push循环10000次用时："<<clock()-start<<endl;
    vector<int> v4;
    ofstream wf("2.txt");
    int nFlag=v4.capacity();
    for(int i=;i<;++i)
    {
        v4.push_back(i);
        if(nFlag!=v4.capacity())
        {
            nFlag=v4.capacity();
            cout<<"new buffer size="<<nFlag<<endl;
            wf<<"capacity="<<nFlag<<endl;
        }
    }
    wf.close();
    cout<<"max_size="<<arr.max_size()<<endl;
    return ;
}