C++ ：STL中vector扩容机制

vector是STL提供的动态数组，它会在内部空间不够用时动态的调整自身的大小，调整过程中会有大量的数据拷贝，为了减少数据拷贝的次数vector会在调整空间的时候尽量多申请一些空间，这些预留出的空间可以很大程度上减少拷贝的发生。

在windows环境中使用vs运行这段代码

#include<iostream>
#include<vector>
using namespace std;
void fun(vector<int>&vec){
	vec.push_back(1);
    cout<<&vec[0]<<vec.size()<<" "<<vec.capacity()<<endl;
}
int main(){
    vector<int>vec;
    for(int i=0;i<10;i++) fun();
}

打印内容依次为，首元素地址，已经使用的空间，容器的容量
在这里插入图片描述

首先看push_back源码，第一个拷贝版本，第二个移动版本，需要注意的是这里第二个不是万能引用而是右值引用，下面看emplace_back代码

void push_back(const _Ty& _Val) { // insert element at end, provide strong guarantee
        emplace_back(_Val);
    }

    void push_back(_Ty&& _Val) { // insert by moving into element at end, provide strong guarantee
        emplace_back(_STD move(_Val));
    }

emplace_back使用了可变参数，并且对参数使用了万能引用，从而使得可以在插入节点时调用对应的构造函数，比如：vector<pair<int,int>>vec；vec.emplace_back(1,2);这么做可以很大程度上简化代码的书写，同时还可以减少一次移动或是拷贝的过程，decltype(auto)这个没什么说的根据返回值推导返回值类型。
回归正题，执行emplace_back的时候会判断容量是否充足，size！=capacity的时候会直接加入元素，否则的话会调用_Emplace_reallocate函数进行扩容。

template <class... _Valty>
    decltype(auto) emplace_back(_Valty&&... _Val) {
        // insert by perfectly forwarding into element at end, provide strong guarantee
        auto& _My_data   = _Mypair._Myval2;
        pointer& _Mylast = _My_data._Mylast;
        if (_Mylast != _My_data._Myend) {
            return _Emplace_back_with_unused_capacity(_STD forward<_Valty>(_Val)...);
        }

        _Ty& _Result = *_Emplace_reallocate(_Mylast, _STD forward<_Valty>(_Val)...);
#if _HAS_CXX17
        return _Result;
#else // ^^^ _HAS_CXX17 ^^^ // vvv !_HAS_CXX17 vvv
        (void) _Result;
#endif // _HAS_CXX17
    }

下面看扩容代码，代码有点长我直接在代码上加注释了

template <class... _Valty>
    pointer _Emplace_reallocate(const pointer _Whereptr, _Valty&&... _Val) {
        // reallocate and insert by perfectly forwarding _Val at _Whereptr
        _Alty& _Al        = _Getal();
        auto& _My_data    = _Mypair._Myval2;//使用的长度
        pointer& _Myfirst = _My_data._Myfirst;//容器开始的位置
        pointer& _Mylast  = _My_data._Mylast;//容器末尾

        _STL_INTERNAL_CHECK(_Mylast == _My_data._Myend); // check that we have no unused capacity

        const auto _Whereoff = static_cast<size_type>(_Whereptr - _Myfirst);//插入元素的位置，这个函数insert也有在用，所以插入的位置不一定在尾部
        const auto _Oldsize  = static_cast<size_type>(_Mylast - _Myfirst);//容器大小

        if (_Oldsize == max_size()) {//长度超过数组的最大长度时报错
            _Xlength();
        }

        const size_type _Newsize     = _Oldsize + 1;
        const size_type _Newcapacity = _Calculate_growth(_Newsize);//调用扩容函数

        const pointer _Newvec           = _Al.allocate(_Newcapacity);//申请新的空间
        const pointer _Constructed_last = _Newvec + _Whereoff + 1;//计算新的末尾
        pointer _Constructed_first      = _Constructed_last;

        _TRY_BEGIN
        _Alty_traits::construct(_Al, _Unfancy(_Newvec + _Whereoff), _STD forward<_Valty>(_Val)...);//在新的空间添加新的元素
        _Constructed_first = _Newvec + _Whereoff;
		//下面是根据插入元素的位置判断如何拷贝
        if (_Whereptr == _Mylast) { // at back, provide strong guarantee
            _Umove_if_noexcept(_Myfirst, _Mylast, _Newvec);//移动，不能移动时拷贝
        } else { // provide basic guarantee
            _Umove(_Myfirst, _Whereptr, _Newvec);
            _Constructed_first = _Newvec;
            _Umove(_Whereptr, _Mylast, _Newvec + _Whereoff + 1);
        }
        _CATCH_ALL//拷贝出现异常的时候释放对应的内容
        _Destroy(_Constructed_first, _Constructed_last);
        _Al.deallocate(_Newvec, _Newcapacity);
        _RERAISE;
        _CATCH_END

        _Change_array(_Newvec, _Newsize, _Newcapacity);//更新数组信息
        return _Newvec + _Whereoff;//偏移到新元素的地址
    }

下面看扩展策略，传入的_Newsize是_Oldsize + 1，_Max是容器最大容量一般是达不到的我试着输出了一下我的环境下是4611686018427387903，可以看到正常情况下新的容量是以前的容量的1.5倍（不同编译器的扩容策略不一样，g++中是2），当新的容量还不够的时候会转而按需分配。

size_type _Calculate_growth(const size_type _Newsize) const {
        // given _Oldcapacity and _Newsize, calculate geometric growth
        const size_type _Oldcapacity = capacity();
        const auto _Max              = max_size();
        if (_Oldcapacity > _Max - _Oldcapacity / 2) {
            return _Max; // geometric growth would overflow
        }
        const size_type _Geometric = _Oldcapacity + _Oldcapacity / 2;
        if (_Geometric < _Newsize) {
            return _Newsize; // geometric growth would be insufficient
        }
        return _Geometric; // geometric growth is sufficient
    }

需要注意的是resize申请机制是按需分配的，当新的容量大于旧的时候会更新容量大小，当新的大小大于旧的容量的时候只会删除多余的元素而不会进行拷贝，数组容量不变不会释放数组空间但是多余的元素会被析构掉，详情运行下面这段代码。

#include<iostream>
#include<vector>
using namespace std;

class A {
public:
    A(){}
    int* a = new int(1);
    ~A() { cout << this << "析构"<<endl; }
};

void fun(vector<A>& vec) {
    vec.push_back(A());
    cout << &vec[0] << " " << vec.size() << " " << vec.capacity() << endl;
}
int main() {
    vector<A>vec;
    for (int i = 0; i < 10; i++) fun(vec);
    vec.resize(5);
    cout << vec.capacity()<<endl;
}