C++ vector 内存分配与回收机制

最近开始更加深入的学习C++，发现了很多以前没注意到但是很重要的知识点。这篇文章主要说vector内存机制和效率问题。

1. vector内存增长

vector所有的内存相关问题都可以归结于它的内存增长策略。vector有一个特点就是：内存空间只会增长不会减少。vector有两个函数，一个是capacity()，返回对象缓冲区（vector维护的内存空间）实际申请的空间大小，另一个size()，返回当前对象缓冲区存储数据的个数。对于vector来说，capacity是永远大于等于size的，档capacity和size相等时，vector就会扩容，capacity变大。

比如说vector最常用的push_back操作，它的整个过程是怎么一个机制呢？这个问题经常在面试中出现。

这个问题其实很简单，在调用push_back时，若当前容量已经不能够放入心得元素（capacity=size），那么vector会重新申请一块内存，把之前的内存里的元素拷贝到新的内存当中，然后把push_back的元素拷贝到新的内存中，最后要析构原有的vector并释放原有的内存。所以说这个过程的效率是极低的，为了避免频繁的分配内存，C++每次申请内存都会成倍的增长，例如之前是4，那么重新申请后就是8，以此类推。当然不一定是成倍增长，比如在我的编译器环境下实测是0.5倍增长，之前是4，重新申请后就是6。

编译环境：visual studio 2015

接下来我们通过一个简单的程序实例来观察这个过程。

#include<vector>
#include<iostream>
using namespace std;
class Point
{
public:
	Point()
	{
		cout << "construction" << endl;
	}
	Point(const Point& p)
	{
		cout << "copy construction" << endl;
	}
	~Point()
	{
		cout << "destruction" << endl;
	}
};
int main()
{
	Point test[10];
	cout << "**************************" << endl;
	vector<Point> arr;
	for (int i = 0; i < 10; i++)
	{
		arr.push_back(test[i]);
		cout << "capacity=" << arr.capacity() << ",size=" << arr.size() << endl;
		cout << "--------------------------" << endl;
	}
	system("pause");
}

程序运行结果

construction
construction
construction
construction
construction
construction
construction
construction
construction
construction
**************************
copy construction
capacity=1,size=1
--------------------------
copy construction
destruction
copy construction
capacity=2,size=2
--------------------------
copy construction
copy construction
destruction
destruction
copy construction
capacity=3,size=3
--------------------------
copy construction
copy construction
copy construction
destruction
destruction
destruction
copy construction
capacity=4,size=4
--------------------------
copy construction
copy construction
copy construction
copy construction
destruction
destruction
destruction
destruction
copy construction
capacity=6,size=5
--------------------------
copy construction
capacity=6,size=6
--------------------------
copy construction
copy construction
copy construction
copy construction
copy construction
copy construction
destruction
destruction
destruction
destruction
destruction
destruction
copy construction
capacity=9,size=7
--------------------------
copy construction
capacity=9,size=8
--------------------------
copy construction
capacity=9,size=9
--------------------------
copy construction
copy construction
copy construction
copy construction
copy construction
copy construction
copy construction
copy construction
copy construction
destruction
destruction
destruction
destruction
destruction
destruction
destruction
destruction
destruction
copy construction
capacity=13,size=10
--------------------------

程序运行结果简单明了，但是有一点令人很不解，vector原空间的析构居然是在新元素的push_back前面发生，与网上查询资料有所不同。有待考证，希望阅读者可以在自己的环境下测试，观察结果。

2. 内存释放

就像前面所说的，vector的内存空间是只增加不减少的，我们常用的操作clear()和erase()，实际上只是减少了size()，清除了数据，并不会减少capacity，所以内存空间没有减少。那么如何释放内存空间呢，正确的做法是swap()操作。

标准模板如下

template < class T >
void ClearVector( vector< T >& vt ) 
{
    vector< T > vtTemp; 
    veTemp.swap( vt );
}

也可以简单使用以下操作

vector<Point>().swap(pointVec); //或者pointVec.swap(vector<Point> ())

swap交换技巧实现内存释放思想：vector()使用vector的默认构造函数建立临时vector对象，再在该临时对象上调用swap成员，swap调用之后原来vector占用的空间就等于一个默认构造的对象的大小，临时对象就具有原来对象v的大小，而该临时对象随即就会被析构，从而其占用的空间也被释放。

std::vector<T>().swap(X)
作用相当于：
{
std::vector<T>  temp(X);
temp.swap(X);
}

交换之后，temp会被析构。

3.总结

由上可见，vector虽然是动态数组，但是本质上和数组没什么区别，频繁的销毁新建，效率很低，所以正确的做法是新建vector的时候初始化一个合适的大小（笑），回到了数组的老路上。不过之后可以动态变化还是很方便，而且还有很多好用的函数。