c++ Vector，每当它在堆栈上扩展/重新分配时会发生什么？

Question

我是 C++ 新手，我在我的项目中使用 vector 类。我发现它非常有用，因为我可以拥有一个在必要时自动重新分配的数组(即，如果我想 push_back 一个项目并且 vector 已经达到它的最大容量，它会重新分配自己，向操作系统请求更多内存空间)，所以访问 vector 的元素非常快(它不像列表，要到达“n-th”元素，我必须经过“n”个第一个元素)。

我找到了 this question非常有用，因为当我想将 vector 存储在堆/堆栈上时，他们的回答完美地解释了 “内存分配器” 的工作原理:

[1] vector<Type> vect;
[2] vector<Type> *vect = new vector<Type>;
[3] vector<Type*> vect;

但是，一个疑问困扰了我一段时间，我找不到答案:每当我构建一个 vector 并开始将 很多 项目插入时，它会达到 vector 已满的时刻，因此要继续增长，它需要重新分配，将自身复制到一个新位置并然后继续 push_back 项目(显然，这种重新分配隐藏在类的实现中，所以它对我来说是完全透明的)

好吧，如果我在堆上创建了 vector [2]，我可以想象会发生什么:类 vector 调用 malloc，获取新空间，然后将自身复制到新内存中，最后删除旧内存免费通话。

但是，当我在堆栈上构造一个 vector 时，面纱隐藏了正在发生的事情 [1]:当 vector 必须重新分配时会发生什么？ AFAIK，每当您在 C/C++ 上输入一个新函数时，计算机都会查看变量的声明，然后 展开 堆栈以获得放置这些变量所需的空间，但您无法分配当函数已经运行时，堆栈上有更多空间。类 vector 是如何解决这个问题的？

Answer 1

你写的

[...] copy itself to a new location [...]

这不是 vector 的工作方式。 vector 数据被复制到新位置，而不是 vector 本身。

我的回答应该让您了解 vector 是如何设计的。

常见的 std::vector 布局*

注意:std::allocator实际上很可能是一个空类和std::vector可能不会包含此类的实例。对于任意分配器，这可能不是真的。

在大多数实现中，它由三个指针组成

• begin指向堆上 vector 的数据内存的开始(如果不是 nullptr，则始终在堆上)
• end将一个内存位置指向 vector 数据的最后一个元素-> size() == end-begin
• capacity内存位置上的点经过 vector 内存的最后一个元素 -> capacity() == capacity-begin

堆栈上的 vector

我们声明一个 std::vector<T,A> 类型的变量在哪里 T是任何类型，A是 T 的分配器类型(即 std::allocator<T> )。

std::vector<T, A> vect1;

这在内存中是什么样子的？

如我们所见:堆上什么都没有发生，但变量占用了堆栈上所有成员所需的内存。它就在那里，它会一直呆在那里直到vect1超出范围，因为 vect1与 double 类型的任何其他对象一样，只是一个对象, int管他呢。不管它在堆上处理多少内存，它都会坐在它的堆栈位置上等待被销毁。

vect1 的指针不要指向任何地方，因为 vector 是空的。

堆上的 vector

现在我们需要一个指向 vector 的指针并使用一些动态堆分配来创建 vector 。

std::vector<T, A> * vp = new std::vector<T, A>;

让我们再看看内存。

我们的 vp 变量在堆栈上，我们的 vector 现在在堆上。同样， vector 本身不会在堆上移动，因为它的大小是恒定的。如果发生重新分配，只有指针( begin 、 end 、 capacity )将移动到内存中的数据位置之后。让我们来看看。

将元素推送到 vector

现在我们可以开始将元素推送到 vector 。来看看vect1 .

T a;
vect1.push_back(a);

变量vect1仍然在原来的位置，但堆上的内存被分配以包含 T 的一个元素.

如果我们再添加一个元素会发生什么？

vect1.push_back(a);

• 在堆上为数据元素分配的空间是不够的(因为它只有一个内存位置)。
• 将为两个元素分配一个新的内存块
• 第一个元素将被复制/移动到新存储中。
• 旧内存将被释放。

我们看到:新的内存位置不同了。

为了更深入地了解，让我们看看我们销毁最后一个元素的情况。

vect1.pop_back();

分配的内存不会改变，但最后一个元素将调用其析构函数，并且结束指针向下移动一个位置。

如您所见:capacity() == capacity-begin == 2而size() == end-begin == 1