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C++ vector扩容机制是怎样的 C++动态数组内存增长策略分析【源码】

裘德小鎮的故事

裘德小鎮的故事

发布时间:2026-01-28 13:16:37

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来源于php中文网

原创

vector扩容新容量主流为1.5倍或2倍,但标准不强制;搬移元素优先用noexcept移动构造,否则回退拷贝;capacity与size差值非必然浪费,shrink_to_fit仅为请求;手写vector易错在reserve(0)处理、非法类型分配及移动后指针置空。

c++ vector扩容机制是怎样的 c++动态数组内存增长策略分析【源码】

vector::push_back 触发扩容时,新容量怎么算

标准库不强制规定扩容倍数,但主流实现(libstdc++、libc++、MSVC STL)都采用「1.5 倍」或「2 倍」增长策略。libstdc++(GCC)用的是 old_capacity + old_capacity / 2(即 1.5 倍),向上取整;MSVC 则直接翻倍。关键点在于:这不是简单的乘法,而是通过 std::max(old_capacity + 1, old_capacity * 2) 类似逻辑保证至少增 1,且避免 0 容量死循环。

实际中别依赖具体倍数——std::vector 只保证均摊 O(1) 的 push_back 复杂度,不承诺增长率。若需确定性行为(如预留空间防重分配),应主动调用 reserve()

扩容时旧元素怎么搬,移动语义起什么作用

扩容本质是三步:申请新内存 → 搬移元素 → 释放旧内存。搬移方式取决于元素类型是否满足 std::is_nothrow_move_constructible_v

  • 若为 true(如 std::string、自定义含 noexcept 移动构造函数的类),优先调用移动构造,避免深拷贝
  • 若为 false(如仅提供抛异常移动构造,或只有拷贝构造),退回到拷贝构造,此时若拷贝抛异常,旧容器仍保持有效(强异常安全)
  • POD 类型(如 intdouble)可能被编译器优化为 memmove,不调用任何构造函数

这意味着:没写 noexcept 移动构造函数的类,在 vector 扩容时大概率走拷贝路径,性能受损且无法享受移动优势。

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capacity() 和 size() 差值大,一定浪费内存吗

不一定。差值反映「已分配但未使用」的空间,但这是为避免频繁分配/释放做的权衡。真正的问题不在差值本身,而在:shrink_to_fit() 不保证释放内存(C++11 起是「请求」而非「命令」),libc++ 和 MSVC 通常会释放,libstdc++ 则常忽略(因涉及重新分配+搬移,开销可能比留着更大)。

如果你明确需要回收内存(例如 vector 生命周期长、后续不再增长),可手动 std::vector(v).swap(v) 强制收缩,但注意这会引发一次完整搬移。

自己实现简易 vector 时最容易错的边界

真实源码里最常出问题的不是增长公式,而是三处细节:

  • 初始 capacity() 通常为 0 或 1,但 reserve(0) 必须合法且不改变 capacity —— 很多手写实现误判为「无需操作」而跳过分配检查
  • T 是引用类型或数组类型时,std::allocator::allocate() 会编译失败,必须用 std::allocator<:byte> + placement new 绕过
  • 移动构造后原对象必须处于「可析构但不可读写」状态,若忘记将原 vector 的 data_ 置为 nullptr,析构时 double free

这些在标准库源码(比如 libstdc++ 的 stl_vector.h)里都有显式处理,但抄代码时极易漏掉其中一两条。

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