vector的push_back拷贝构造和空间占用分析

本文同步自：https://zohead.com/archives/vector-push-back-space-copy/

这两天在实际程序中使用 STL 的 vector push_back 类对象时出现问题，偶尔发现 vector 在 push_back 时的调用类对象的拷贝构造函数和析构函数有点特别，简单做下分析。

程序代码：

#include <iostream>
#include <vector>

using namespace std;

struct sss
{
public:
	explicit sss(int val) : value(val)
	{
		cout << "---init sss " << this << ", value:" << value << endl;
	}

	sss(const sss& org)
	{
		cout << "---copy " << &org << " to " << this << endl;
		value = org.value;
	}

	~sss()
	{
		cout << "---destory sss " << this << ", value:" << value << endl;
	}
 
	int value;
};

int main(int argc, char ** argv)
{
	sss s_tmp(11);
	int i = 0;
	vector<sss> vvv;

	for (i = 0; i < 5; i++) {
		s_tmp.value++;
		vvv.push_back(s_tmp);
		cout << "size: " << vvv.size() << ", capacity: " << vvv.capacity() << endl;
	}

	return 0;
}

功能很简单，main 中定义一个 sss 类对象和对应的 vector，然后在循环中改类成员的值，并依次 push_back 到 vector 中，类的构造函数、析构函数、拷贝构造函数中都加了对应的打印输出。循环运行了5次，往 vector 中增加了5个类成员。

实际运行输出如下：

---init sss 0x22ff20, value:11
---copy 0x22ff20 to 0x5d2a58
size: 1, capacity: 1
---copy 0x5d2a58 to 0x5d2ad8
---copy 0x22ff20 to 0x5d2adc
---destory sss 0x5d2a58, value:12
size: 2, capacity: 2
---copy 0x5d2ad8 to 0x5d2ae8
---copy 0x5d2adc to 0x5d2aec
---copy 0x22ff20 to 0x5d2af0
---destory sss 0x5d2ad8, value:12
---destory sss 0x5d2adc, value:13
size: 3, capacity: 4
---copy 0x22ff20 to 0x5d2af4
size: 4, capacity: 4
---copy 0x5d2ae8 to 0x5d2b00
---copy 0x5d2aec to 0x5d2b04
---copy 0x5d2af0 to 0x5d2b08
---copy 0x5d2af4 to 0x5d2b0c
---copy 0x22ff20 to 0x5d2b10
---destory sss 0x5d2ae8, value:12
---destory sss 0x5d2aec, value:13
---destory sss 0x5d2af0, value:14
---destory sss 0x5d2af4, value:15
size: 5, capacity: 8
---destory sss 0x5d2b00, value:12
---destory sss 0x5d2b04, value:13
---destory sss 0x5d2b08, value:14
---destory sss 0x5d2b0c, value:15
---destory sss 0x5d2b10, value:16
---destory sss 0x22ff20, value:16

结果分析：

vector 每次调用 push_back 时都会拷贝一个新的参数指定的 sss 类对象，这会调用 sss 的拷贝构造函数，第一次的 copy 正常，而且 vector 的实际容量也由 0  变为 1。

第二次调用 push_back，通过输出会发现调用了两次拷贝构造函数，一次析构函数，原来 vector 此时判断容量不够，将容量扩大为原来的两倍，变为 2，并将原来的元素再次拷贝一份存放到新的内存空间，然后拷贝新加的类对象，最后再释放原来的元素。

第三次调用 push_back 时，vector 自动扩大为4，因此拷贝构造函数调用了3次，析构函数调用了2次，程序最终退出了时就析构了 5 次加本身的 sss 类对象一共 6 次。

参考：

由此看来，vector 的 push_back 在发现空间不足时自动将空间以 2 的指数增长：0 -> 1 -> 2 -> 4 -> 8 -> 16 -> 32 …

查找资料后得知，如此设计的主要目的是为了尽可能的减小时间复杂度；如果每次都按实际的大小来增加 vector 的空间，会造成时间复杂度很高，降低 push_back 的速度。

另外关于 push_back 为什么会执行拷贝构造函数，push_back 的原型为：

void push_back(const _Ty& _Val)

参数是以引用方式传递，按说不会拷贝，但 push_back 实际实现中判断空间不足时是调用 insert 函数添加元素：

void push_back(const _Ty& _Val)
{
   // insert element at end
   if (size() < capacity())
   #if _HAS_ITERATOR_DEBUGGING
   {
      // room at end, construct it there
      _Orphan_range(_Mylast, _Mylast);
      _Mylast = _Ufill(_Mylast, 1, _Val);
   }
   #else /* _HAS_ITERATOR_DEBUGGING */
      _Mylast = _Ufill(_Mylast, 1, _Val);
   #endif /* _HAS_ITERATOR_DEBUGGING */
   else
      insert(end(), _Val);
}

更新：

2012-05-10：

近期在 Visual Studio 2010 中发现 vector 的实际空间增加顺序为：1 - 2 - 3 - 4 - 6 - 9 - 13 - 19 - 28 - 42 - 63 - 94 - 141 - 211 …，有空时再继续研究。

以上只是个人粗略分析，有任何问题欢迎指正，玩的开心咯 ^_^