C++ STL ：Vector内存分配与释放

vector 可以容纳许多类型的数据，如若干个整数，所以称其为容器。

vector 是C++ STL的一个重要成员，使用它时需要包含头文件： #include<vector> 。

关于vector的使用，虽然可以动态的分配内存，但是稍不注意，就会落入内存陷阱中，无形中增大了程序的内存开销，导致程序崩溃。基于此，有必要梳理一下 C++ STL中的vector的内存分配与释放机制。

文章从“定义”、“添加”、“清空”三个部分来探究vector的内存分配和释放机制。

导读：

1. vector内存相关介绍

• size(),capacity(),push_back(),reserve(),resize(),clear(),swap()
• vector内存增长特点

2. vector定义与内存分配

• 类中定义 & 类外定义（包括全局、主函数、类成员函数、自定义函数等）
• 一维vector & 二维vector
• 空vector & 指定行vector & 指定行列vector

3. vector定义方式建议

4. vector清空元素与内存释放

• clear()
• swap()

以下是正文，测试代码会放在最后。

1. vector内存相关介绍

1.1 相关函数

（1）b.size()：容器当前拥有的元素个数。

（2）b.capacity()：容器在必须分配新存储空间之前可以存储的元素总数。

区别：创建完空vector后，其size和capacity都为0，但是向vector插入元素后，会发生变化，通常capacity大于等于size，这是vector内存增长机制决定的。

（3）b.push_back()：在向量最后插入一个元素。 在调用push_back时，若当前容量已经不能够放入新的元素（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。

（4）b.reserve(a)：容器预留空间a，但在空间内不真正创建元素对象（capacity=a,无size）。 所以在没有添加新的对象之前，不能引用容器内的元素。加入元素时，要调用push_back()/insert()函数， 值得一提的是，若添加元素没有超出预留，那么是不会对内存进行重新分配的 。此外，若加入元素超出了reserve()的值，是可以继续添加的，但是此时就会触发push_back()的空间预留机制。

（5）b.resize(a,0)：改变容器的大小，且创建对象（指定或默认0，初始capacity = size = a）。 因此，调用这个函数之后，可以引用容器内的对象了，因此当加入新的元素时，用operator[]操作符，或者用迭代器来引用元素对象。此时再调用push_back()函数，是加在这个新的空间后面的。同样也会触发push_back()的空间预留机制。

容器类型提供resize操作来改变容器所包含的元素个数：如果当前的容器长度大于新的长度值，则该容器后部的元素会被删除；如果当前的容器长度小于新的长度值，则系统会在该容器后部添加新元素。

需要注意的是：resize操作可能会使 迭代器失效 ，对于所有的容器类型，如果resize操作压缩了容器，则指向已删除的元素的迭代器失效。

区别：

• reserve函数只有一个参数，即需要预留的容器的空间；resize函数可以有两个参数，第一个参数是容器新的大小， 第二个参数是要加入容器中的新元素，如果这个参数被省略，那么就调用元素对象的默认构造函数。
• 当不超过预留空间时， reserve()不涉及内存的重新分配，resize()会涉及内存的重新分配 。但是如果是对空容器操作，那么二者看不出内在的区别。
• reserve()只修改capacity大小，不修改size大小，
• resize()既修改capacity大小，也修改size大小。

（6）b.clear()：清空向量中的元素。 但是即使clear()，vector所占用的内存空间依然如故，无法保证内存的回收。一维vector.clear()，清空一维的元素，但是仍旧 保留着列的capacity ；二维vector.clear()，清空各行的列，并且回收列内存capacity，但是 保留行的capacity 。

（7）a.swap(b)：将a中的元素和b中的元素进行整体性交换。 除此之外，①可以利用swap()方法 去除 vector多余的容量： vector<T>(x).swap(x) ；其中，x是当前要操作的容器，T是容器的类型。②利用swap()方法 清空 vector容器：当 swap() 成员方法用于清空 vector 容器时，可以套用如下的语法格式： vector<T>().swap(x) 。

1.2 vector内存增长策略和特点

（1）vector的容器的大小只可以增加，不可以减少。 当我们使用push_back() , insert() , emplace()等成员方法的时候，有可能会增加容量，但是我们使用 pop_back()、erase()、clear() 等方式的时候，并不会减少实际 的内存容量。只是可以删除容器里面的内容。

（2）vector 有一个机制是这样的，如果新加入一个元素，比如通过push_back()，但是size 大于了capacity，那么vector 就会重新找一块更大的地方再把数据放进去。重新分配的过程： 申请一块新的内存 > 拷贝数据 > 释放原内存 。

所以，使用vector容器的时候可以预先空间，把capacity定得够大，这样可以尽量避免重新分配vector 的内存，不增加程序的负担。即： reserve()预留空间+push_back()压入元素+size()控制读取 的策略，但是还是不推荐这么用，原因后面解释。

（3）综合来看，vector为了支持快速的随机访问，vector容器的元素以连续方式存放，每一个元素都紧挨着前一个元素存储。设想一下，当vector添加一个元素时，为了满足连续存放这个特性，都需要重新分配空间、拷贝元素、撤销旧空间，这样性能难以接受。因此STL实现者在对vector进行内存分配时，其实际分配的容量要比当前所需的空间多一些。就是说，vector容器 预留了一些额外的存储区 ，用于存放新添加的元素，这样就不必为每个新元素重新分配整个容器的内存空间。

在调用push_back时，每次执行push_back操作，相当于底层的数组实现要重新分配大小；这种实现体现到vector实现就是每当push_back一个元素,都要重新分配一个大一个元素的存储，然后将原来的元素拷贝到新的存储，之后在拷贝push_back的元素，最后要析构原有的vector并释放原有的内存。

2. vector定义与内存分配

2.1 类中定义 & 类外定义

vector在类中私有/公有成员中的定义方式居然和全局、函数内的定义方式还有所区别，具体原因也没了解到（和默认构造函数有关），总之用这玩意儿到处都是坑，吐。

（1）类外定义（圆括号）

一维vector

vector<int>a(10);

二维vector

vector<vector<int>>c(5, vector<int>(10));

以上定义都是有初始值的，所以可以 直接用下标访问 。举例的是已知一些行列信息的定义方式，其余的定义方式在下面说，差不多。

（2）类中定义{花括号}

不能使用以上类外的两种定义方式。

一维vector：无法指定列长，可以用 花括号{ } 初始化列元素。

vector<int>a1{ 1,2,3 };

二维vector：可以用 花括号{ }指定行数 ，无法指定列长，但可以用 花括号{ } 初始化列元素。

vector<vector<int>>c{ N };
vector<vector<int>>d1{ N ,vector<int> {1,2,3} };

只要vector中没有定义列长，那么就是个空的容器 。具体细节见下代码：

class Vector_define
private:
	int i, j;
	/*一维vector*/
	//vector<int>a(N);				/*在自定义类中无法对vector实现圆括号()初始化长度的定义*/
	vector<int>a{ N };				/*此种花括号{}的初始化可以定义。作用：只是输入一个元素，而非定义长度*/
	vector<int>a1{ 1,2,3 };			/*支持直接输入元素*/
	vector<int>b;					/*正常定义，空的，无长度*/
	/*二维vector*/
	//vector<vector<int>>c(N, vector<int>(T));			/*该种定义同一维，无效定义*/
	vector<vector<int>>c{ N };							/*二维vector该种花括号{}定义有效。作用：占行，而非输入元素，这和一维不一样*/
	//vector<vector<int>>c{ 1,2,3 };					/*无效定义*/
	vector<vector<int>>d{ N ,vector<int> {T} };			/*该种定义，支持行定义，不支持列定义，但支持行添加*/
	vector<vector<int>>d1{ N ,vector<int> {1,2,3} };	/*支持行直接输入元素，且是为每一行都插入*/
	vector<vector<int>>e;								/*正常定义，空的，无长度*/

3. vector定义方式建议

经过以上的一些探索，在这对不同vector定义方式的内存变化再做出一些分析和建议。

（1）一维vector

①一开始知道列长。

vector<int>a(10);

②一开始不知道列长，resize()策略。

vector<int>c;
c.resize(25);

优点：按需分配，有初始值，可以用下标直接改值。

③一开始不知道列长，reserve()+push_back()策略。

vector<int>a;
a.reserve(25);
for (i = 0; i < 25; i++)
	a.push_back(i + 1);

缺点：不建议用，虽然也是按需分配，但是由于push_back()可能带来内存溢出。

（2）二维vector（以类中定义为例）

①一开始知道行、列信息的，resize()策略。

vector<vector<int>>h(5);
for (i = 0; i < h.size(); i++)
	h[i].resize(10);

当对空vector采取resize()， capacity=size ，但如果是对一个已有元素的vector进行resize()，或者是又对resize后的vector，push_back了一些元素，那么就会触发 内存预留 机制，所以如果要想 去除多余 的空间，可以采用如下方法：

vector<int>(h).swap(h)

优点：按需分配，有初始值，可以用下标直接改值。

②一开始知道行、列信息的，reserve()+push_back()策略。

不推荐！！！原因如下：

1）因为但凡用到push_back()，如果 忘记清空 ，稍不注意，在某些循环中，循环一次就压入一堆元素，不光影响数据的使用，而且还会不停扩张内存，更严重的是当用完预留的内存后，更是成倍的开辟内存空间，直逼程序崩溃。

2）即便是记得使用清空的策略去除无关的元素，也容易错误的使用清空方式。比如：

vector<vector<int>> b{ N };
for (i = 0; i < N; i++)
	b[i].reserve(T);

该二维vector在定义时，已经指定了行数，所以“b.clear()”的行为是错误的，而“b[0],clear()”才是正确的，也即只能清空列。

又或者你想这样定义（ 错误！ ）：

vector<vector<int>> e;
e.reserve(10);
for (i = 0; i < N; i++)
	b[i].reserve(10);

看着没问题，实际是个错误的定义。 若一开始没有定义行，那么是无法通过reserve()固定行的；只能通过resize()的方式。

总结起来就是，这种策略的定义方式，特别容易出错！

③其他的情况暂且不论，总之能用resize()就用，能不用push_back()就不用，一旦用了，根据情况，需要清空的一定要正确及时的清空，避免内存损耗和溢出！

4. vector清空元素与内存释放

由于vector的内存占用空间只增不减，比如你首先分配了10,000个字节，然后erase掉后面9,999个，留下一个有效元素，但是内存占用仍为10,000个。 所有内存空间是在vector析构时候才能被系统回收。 empty()用来检测容器是否为空的，clear()可以清空所有元素。但是 即使clear()，vector所占用的内存空间依然如故 ，无法保证内存的回收。

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。

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。

当 swap() 成员方法用于清空 vector 容器时，可以套用如下的语法格式：

vector<T>().swap(x);

这里没有为 vector<T>() 表达式传递任何参数。这意味着，此表达式将调用 vector 模板类的默认构造函数，而不再是复制构造函数。也就是说，此格式会先生成一个空的 vector 容器，再借助 swap() 方法将空容器交换给 x，从而达到 清空 x 的目的。

完整测试代码：

#include<iostream>
using namespace std;
#include<vector>
#define N 20
#define T 10
/*类Vector_define：探究在类中对vector进行定义的特点*/
class Vector_define
private:
	int i, j;
	/*一维vector*/
	//vector<int>a(N);				/*在自定义类中无法对vector实现圆括号()初始化长度的定义*/
	vector<int>a{ N };				/*此种花括号{}的初始化可以定义。作用：只是输入一个元素，而非定义长度*/
	vector<int>a1{ 1,2,3 };			/*支持直接输入元素*/
	vector<int>b;					/*正常定义，空的，无长度*/
	/*二维vector*/
	//vector<vector<int>>c(N, vector<int>(T));			/*该种定义同一维，无效定义*/
	vector<vector<int>>c{ N };							/*二维vector该种花括号{}定义有效。作用：占行，而非输入元素，这和一维不一样*/
	//vector<vector<int>>c{ 1,2,3 };					/*无效定义*/
	vector<vector<int>>d{ N ,vector<int> {T} };			/*该种定义，支持行定义，不支持列定义，但支持行添加*/
	vector<vector<int>>d1{ N ,vector<int> {1,2,3} };	/*支持行直接输入元素，且是为每一行都插入*/
	vector<vector<int>>e;								/*正常定义，空的，无长度*/
public:
	void test1()
		/*teat a*/
		cout << "a.size()=" << a.size() << endl;	/* a.size()=1 ，可知类中花括号只是添加了元素而已*/
		for (i = 0; i < a.size(); i++)
			cout << a[i] << "  ";					/* 只输出 20 ，也即只有一个元素*/
		cout << endl << endl;
		/*teat b*/
		cout << "b.size()=" << b.size() << endl;	/* b.size()=0 ,没有元素，正常*/
		/*for (i = 0; i < a.size(); i++)
			cout << b[i] << "  ";					// 报错：out of range! 空的容器，没有长度，没有东西输出！
		cout << endl ;*/
		cout << endl;
		/*teat c*/
		cout << "c.size()=" << c.size() << endl;	/* c.size()=20，可知二维vector支持花括号{}定义行数 */
		for (i = 0; i < c.size(); i++)
			for (j = 0; j < c[i].size(); j++)
				cout << c[i][j] << "  ";			/* 不报错，有行没列,输出不了什么， */
			cout << endl;
		cout << endl;
		/*teat d*/
		cout << "d.size()=" << d.size() << endl;	/* d.size()=20，花括号{}行定义仍旧有效 */
		for (i = 0; i < d.size(); i++)
			cout << "d[" << i << "].size()=" << d[i].size() << "  ";
		}											/* d[i].size()=1，可知花括号{}列长定义无效 */
		cout << endl;
		for (i = 0; i < d.size(); i++)
			for (j = 0; j < d[i].size(); j++)
				cout << d[i][j] << "  ";			/* d[i][j]=T，可知花括号{}列长定义无效,只是添加了一个元素 */
			cout << endl;
		cout << endl;
		/*teat e*/
		cout << "e.size()=" << e.size() << endl;	/* e.size()=0，行0，列空 */
		for (i = 0; i < e.size(); i++)
			cout << "e[" << i << "].size()=" << e[i].size() << "  ";
		}											/* 列空 */
		cout << endl;
		for (i = 0; i < e.size(); i++)
			for (j = 0; j < e[i].size(); j++)
				cout << e[i][j] << "  ";			/* 容器空 */
			cout << endl;
		cout << endl;
/*类Vector_memory：探究在类中定义的vector的内存特点*/
class Vector_memory
private:
	int i, j;
	/*一维*/
	vector<int>a;
	vector<int>b{ 1,2,3 };
	vector<int>c;
	vector<int>d;
	/*二维*/
	vector<vector<int>>e;
	vector<vector<int>>f{ N };
	vector<vector<int>>g{ N,vector<int>{1,2,3} };
public:
	void test2()
		/*一维内存*/
		cout << "a.capacity()=" << a.capacity() << endl;	/* a.capacity()=0 */
		cout << "a.size()=" << a.size() << endl << endl;	/* a.capacity()=0 */
		cout << "b.capacity()=" << b.capacity() << endl;	/* a.capacity()=3，不会预留空间*/
		cout << "b.size()=" << b.size() << endl << endl;	/* a.capacity()=3 */
		//①往 a 中添加元素：研究 pushback() 对内存的改变
		for (i = 0; i < N; i++)
			a.push_back(i + 1);
		cout << "a.capacity()=" << a.capacity() << endl;	/* a.capacity()=28，可知pushback()会预留部分空间*/
		cout << "a.size()=" << a.size() << endl << endl;	/* a.size()=20，实际空间等于元素个数*/
		//②给 a 重设长度：研究 resize() 对内存的改变
		a.resize(30);
		cout << "a.capacity()=" << a.capacity() << endl;	/* a.capacity()=42，可知resize()会对缓存区进行重新分配和空间预留*/
		cout << "a.size()=" << a.size() << endl << endl;	/* a.capacity()=30，可知resize()会产生初始值*/
		//③给 c 重设长度：研究 resize() 对内存的改变
		c.resize(25);
		cout << "c.capacity()=" << c.capacity() << endl;	/* c.capacity()=25，可以发现：当对空容器resize()，不会预留空间*/
		cout << "c.size()=" << c.size() << endl << endl;	/* c.capacity()=25*/
		//④给 a 预设长度：研究 reserve() 对内存的改变
		a.reserve(50);
		cout << "a.capacity()=" << a.capacity() << endl;	/* a.capacity()=50，可知reserve()不会对缓存区进行重新分配和空间预留*/
		cout << "a.size()=" << a.size() << endl << endl;	/* a.size()=30，可知reserve()不会产生初始值*/
		//⑤给 a 添加超出它预设capcity的元素：研究 capcity 的变化
		for (i = 0; i < 25; i++)
			a.push_back(i + 1);
		cout << "a.capacity()=" << a.capacity() << endl;	/* a.capacity()=75，可知当元素超出预设的capcity，就会触发空间预留*/
		cout << "a.size()=" << a.size() << endl << endl;	/* a.size()=55*/
		/*二维内存*/
		cout << "e.capacity()=" << e.capacity() << endl;		/* e.capacity()=0，列的capcity报错 */
		cout << "f.capacity()=" << f.capacity() << endl;		/* f.capacity()=20 */
		cout << "f[0].capacity()=" << f[0].capacity() << endl;	/* f[0].capacity()=0，指定行则有列的capcity */
		cout << "g.capacity()=" << g.capacity() << endl;		/* g.capacity()=20 */
		cout << "g[2].capacity()=" << g[2].capacity() << endl;	/* g[2].capacity()=3，可知每行都被插入了相同的元素 */
		/*经过一维vector的探究，选出一些适合二维的节省资源的定义方式！*/
		//①对于可求得固定行、列信息的二维vector，定义如下：
		vector<vector<int>>h{ N };
		for (i = 0; i < h.size(); i++)
			h[i].reserve(T);
		cout << "h.capacity()=" << h.capacity() << endl;		/* h.capacity()=20 */
		cout << "h[0].capacity()=" << h[0].capacity() << endl;	/* h[0].capacity()=10 */
		cout << endl;
		//②对于可求得固定行信息，但是列长未知的二维vector，定义如下：
		vector<vector<int>>p{ N };
		/*通过push_back压入元素，会有预留空间*/
		for (i = 0; i < p.size(); i++)
			for (j = 0; j < i + 1; j++)
				p[i].push_back(j + 1);
		/*看看预留空间：发现确实有预留现象！*/
		for (i = 0; i < p.size(); i++)
			cout << "p[" << i << "].size()=" << p[i].size() << endl;
			cout << "p[" << i << "].capacity()=" << p[i].capacity() << endl;
		cout << endl;
		/*有没有办法切去多余的空间？——利用swap()方法去除vector多余的容量*/
		vector<vector<int>>(p).swap(p);
		for (i = 0; i < p.size(); i++)
			cout << "p[" << i << "].size()=" << p[i].size() << endl;
			cout << "p[" << i << "].capacity()=" << p[i].capacity() << endl;
		cout << endl;
		//③对于无任何信息的二维vector，直接定义空的就行。
		vector<vector<int>>t;
		/*注意：若一开始没有定义行，那么是无法通过reserve()固定行的；
			只能通过resize()的方式。
/*类Vector_release：探究如何彻底释放在类中定义的vector的内存*/
class Vector_release
private:
	int i, j;
public:
	vector<vector<int>> a;
	vector<vector<int>> b{ N };
	vector<vector<int>> c;
	vector<int>d{ 1,2,3 };
	void define()
		//①经过以上测试的探索，我们可以有新的定义方式：用 行、列resize()+swap()
		a.resize(N);
		for (i = 0; i < a.size(); i++)
			a[i].resize(i + 1);
		vector<vector<int>>(a).swap(a);			/*切除多余空间*/
		for (i = 0; i < a.size(); i++)
			for (j = 0; j < a[i].size(); j++)
				cout << a[i][j] << " ";
			cout << endl;
		cout << endl;
		/*cout << "a.size()" << a.size() << endl;
		for (i = 0; i < a.size(); i++)
			cout << "a[" << i << "].capacity()=" << a[i].capacity() << endl;
		cout << endl;*/
		//②用 指定行、列reserve()+push_back()定义
		for (i = 0; i < N; i++)
			b[i].reserve(T);
		for (i = 0; i < N; i++)
			for (j = 0; j < T; j++)
				b[i].push_back(1);
		cout << "bbbbb" << endl;
		for (i = 0; i < b.size(); i++)
			for (j = 0; j < b[i].size(); j++)
				cout << b[i][j] << "  ";
			cout << endl;
		cout << endl;
		//③copy一个
		c = a;
		//}/*可以清空列元素，但是列的capacity还在。但至少可以保证循环时的push_back()不会溢出内存*/
		for (i = 0; i < b.size(); i++)
			vector<int>().swap(b[i]);
		}/*可以清空列元素以及列的capacity。*/
		//c.clear();/*二维vector.clear()，可以彻底清除列的capacity，但是保留着行的capacity*/
		vector<vector<int>>().swap(c);/*利用swap()彻底清除capacity*/
		d.clear();/*一维vector.clear()，保留着列的capacity*/
int main()
	Vector_define v1;
	v1.test1();
	Vector_memory v2;
	v2.test2();
	Vector_release v3;
	for (int it = 0; it < 4; it++)
		cout << "第" << it << "次：" << endl;
		v3.define();
		v3.clean();
		for (int i = 0; i < v3.a.size(); i++)
			cout << "a[i].capacity[" << i << "]=" << v3.a[i].capacity() << "  ";
		cout << endl << endl;
		for (int i = 0; i < v3.b.size(); i++)
			cout << "b[i].capacity[" << i << "]=" << v3.b[i].capacity() << "  ";
		cout << endl << endl;
		cout << "c.capacity()=" << v3.c.capacity() << endl;
		for (int i = 0; i < v3.c.size(); i++)
			cout << "c[i].capacity[" << i << "]=" << v3.c[i].capacity() << "  ";
		cout << endl;
		cout << "d.capacity()=" << v3.d.capacity() << endl;