vector 的扩容机制
vector 的扩容机制是指当现有容量不足以容纳新元素时，自动分配更大的内存空间、复制旧元素到新空间，并释放旧空间的过程。其核心逻辑是 **“以空间换时间”**，通过预留额外容量减少频繁扩容的开销。
一、关键概念
在理解扩容机制前，先明确 vector 的两个核心属性：
- size：当前已存储的元素数量。
- capacity：当前分配的内存可容纳的最大元素数量（capacity >= size）。
当 size == capacity 时，再插入元素就会触发扩容。
二、扩容的完整流程
- 判断是否需要扩容
当执行 push_back、insert 等插入操作时，若 size + 新增元素数 > capacity，则触发扩容。
- 计算新容量
不同编译器（如 GCC、MSVC）的扩容策略略有差异，通常是 “当前容量的 1.5 倍或 2 倍”：
- GCC：新容量 = 旧容量 × 1.5（整数除法，如旧容量 5 → 新容量 7）。
- MSVC：新容量 = 旧容量 × 2（如旧容量 5 → 新容量 10）。
- 若初始容量为 0（空 vector），首次扩容通常直接分配能容纳 1 个元素的空间，后续按倍数增长。
- 分配新内存
根据新容量在堆上分配一块更大的连续内存（类型为元素类型的数组）。
- 复制 / 移动旧元素
将旧内存中的元素逐个复制（或移动，C++11 后）到新内存中。
- 释放旧内存
销毁旧内存中的元素，释放旧内存空间。
- 更新内部指针
将 vector 内部指向数据的指针（如 _M_start、_M_end、_M_capacity）指向新内存，并更新 size 和 capacity。
三、代码示例与验证
通过示例观察 vector 的 size、capacity 变化，验证扩容机制：
#include <iostream>
#include <vector>
int main() {
std::vector<int> v;
// 初始状态：size=0，capacity=0
std::cout << "初始: size=" << v.size() << ", capacity=" << v.capacity() << std::endl;
// 插入元素，观察扩容
for (int i = 0; i < 10; ++i) {
v.push_back(i);
std::cout << "插入" << i << ": size=" << v.size()
<< ", capacity=" << v.capacity() << std::endl;
}
return 0;
}
GCC 环境下的输出（1.5 倍扩容）：
初始: size=0, capacity=0
插入0: size=1, capacity=1 // 首次扩容到1
插入1: size=2, capacity=2 // 1×2=2（因1.5取整后仍为1，故直接扩到2）
插入2: size=3, capacity=3 // 2×1.5=3
插入3: size=4, capacity=4 // 3×1.5=4.5→取整4
插入4: size=5, capacity=6 // 4×1.5=6
插入5: size=6, capacity=6
插入6: size=7, capacity=9 // 6×1.5=9
插入7: size=8, capacity=9
插入8: size=9, capacity=9
插入9: size=10, capacity=13 // 9×1.5=13.5→取整13
MSVC 环境下的输出（2 倍扩容）：
初始: size=0, capacity=0
插入0: size=1, capacity=1 // 首次扩容到1
插入1: size=2, capacity=2 // 1×2=2
插入2: size=3, capacity=4 // 2×2=4
插入3: size=4, capacity=4
插入4: size=5, capacity=8 // 4×2=8
插入5: size=6, capacity=8
插入6: size=7, capacity=8
插入7: size=8, capacity=8
插入8: size=9, capacity=16 // 8×2=16
插入9: size=10, capacity=16
四、扩容的影响与优化
- 性能开销
扩容涉及内存分配、元素复制和旧内存释放，频繁扩容会导致性能下降（尤其是元素为大型对象时，复制成本高）。
- 迭代器失效
扩容后，旧内存被释放，指向旧内存的迭代器、指针、引用都会失效（需重新获取）。
- 优化策略
- 提前调用 reserve(n)：手动预留足够容量（capacity 直接扩到 n），避免多次自动扩容。
例：v.reserve(10); 可让上述示例中 capacity 直接从 0 变为 10，插入 10 个元素时不再扩容。
- 避免存储大量大型对象：可存储指针（或智能指针），减少复制成本。
总结
vector 的扩容机制是 **“当容量不足时，按当前容量的 1.5 倍或 2 倍分配新内存，复制旧元素后释放旧内存”**，其设计平衡了内存利用率和操作效率。实际使用中，可通过 reserve 提前预留容量优化性能。