C++:使用vector::reserve来避免不必要的重新分配

绝地灬酷狼 2023-07-14 05:57 17阅读 0赞

关于STL容器，最令人称赞的特性之一就是是只要不超过它们的最大大小，它们就可以自动增长到足以容纳你放进去的数据。（要知道这个最大值，只要调用名叫max\_size的成员函数。）

对于vector和string，如果需要更多空间，就以类似realloc的思想来增长大小。这个类似于realloc的操作有四个部分：

分配新的内存块，它有容器目前容量的倍数。在大部分实现中，vector和string的容量每次以2为因数增长。也就是说，当容器必须扩展时，它们的容量每次翻倍。  
把所有元素从容器的旧内存拷贝到它的新内存。  
销毁旧内存中的对象。  
回收旧内存。  
给了所有的分配，回收，拷贝和析构，你就应该知道那些步骤都很昂贵。当然，你不会想要比必须的更为频繁地执行它们。如果这没有给你打击，那么也许当你想到每次这些步骤发生时，所有指向vector或string中的迭代器、指针和引用都会失效时，它会给你打击的。这意味着简单地把一个元素插入vector或string的动作需要更新其他使用了指向vector或string中的迭代器、指针或引用的数据结构。

reserve成员函数允许你最小化必须进行的重新分配的次数，因而可以避免真分配的开销和迭代器/指针/引用失效。但在我解释reserve为什么可以那么做之前，让我简要介绍有时候令人困惑的四个相关成员函数。在标准容器中，只有vector和string提供了所有这些函数。

size()告诉你容器中有多少元素。它没有告诉你容器为它容纳的元素分配了多少内存。  
capacity()告诉你容器在它已经分配的内存中可以容纳多少元素。那是容器在那块内存中总共可以容纳多少元素，而不是还可以容纳多少元素。如果你想知道一个vector或string中有多少没有被占用的内存，你必须从capacity()中减去size()。如果size和capacity返回同样的值，容器中就没有剩余空间了，而下一次插入（通过insert或push\_back等）会引发上面的重新分配步骤。  
resize(Container::size\_type n)强制把容器改为容纳n个元素。调用resize之后，size将会返回n。如果n小于当前大小，容器尾部的元素会被销毁。如果n大于当前大小，新默认构造的元素会添加到容器尾部。如果n大于当前容量，在元素加入之前会发生重新分配。  
reserve(Container::size\_type n)强制容器把它的容量改为至少n，提供的n不小于当前大小。这一般强迫进行一次重新分配，因为容量需要增加。（如果n小于当前容量，vector忽略它，这个调用什么都不做，string可能把它的容量减少为size()和n中大的数，但string的大小没有改变。在我的经验中，使用reserve来从一个string中修整多余容量一般不如使用“交换技巧”，那是条款17的主题。）\[1\]  
这个简介表示了只要有元素需要插入而且容器的容量不足时就会发生重新分配（包括它们维护的原始内存分配和回收，对象的拷贝和析构和迭代器、指针和引用的失效）。所以，避免重新分配的关键是使用reserve尽快把容器的容量设置为足够大，最好在容器被构造之后立刻进行。

例如，假定你想建立一个容纳1-1000值的vector。没有使用reserve，你可以像这样来做：

vector v; for (int i = 1; i <= 1000; ++i) v.push\_back(i);  
在大多数STL实现中，这段代码在循环过程中将会导致2到10次重新分配。（10这个数没什么奇怪的。记住vector在重新分配发生时一般把容量翻倍，而1000约等于210。）

把代码改为使用reserve，我们得到这个：

vector v; v.reserve(1000); for (int i = 1; i <= 1000; ++i) v.push\_back(i);  
这在循环中不会发生重新分配。

在大小和容量之间的关系让我们可以预言什么时候插入将引起vector或string执行重新分配，而且，可以预言什么时候插入会使指向容器中的迭代器、指针和引用失效。例如，给出这段代码，

string s; … if (s.size() < s.capacity()) \{ s.push\_back(‘x’); \}  
push\_back的调用不会使指向这个string中的迭代器、指针或引用失效，因为string的容量保证大于它的大小。如果不是执行push\_back，代码在string的任意位置进行一个insert，我们仍然可以保证在插入期间没有发生重新分配，但是，与伴随string插入时迭代器失效的一般规则一致，所有从插入位置到string结尾的迭代器/指针/引用将失效。

回到本条款的主旨，通常有两情况使用reserve来避免不必要的重新分配。第一个可用的情况是当你确切或者大约知道有多少元素将最后出现在容器中。那样的话，就像上面的vector代码，你只是提前reserve适当数量的空间。第二种情况是保留你可能需要的最大的空间，然后，一旦你添加完全部数据，修整掉任何多余的容量。