std::vector自动扩展容量的原理是通过动态扩容机制实现。当调用push_back时，若当前size超过capacity，则触发扩容；通常采用2倍增长策略申请新的内存空间；将原有数据拷贝到新内存并释放旧内存；核心涉及capacity与size的区别、扩容策略、元素迁移三个关键点。手动实现需关注内存分配、数据迁移和容量更新逻辑，而实际vector还优化了内存管理、构造析构和移动语义等细节。
在 C++ 中，std::vector 是一个非常常用的容器，它本质上就是一个动态扩容的数组。你可能用过 vector.push_back()，但有没有想过它是怎么自动扩展容量的？这篇文章就来聊聊它的底层原理，并演示如何手动实现一个简单的动态扩容数组。
动态扩容数组的核心机制
std::vector 背后的核心机制其实并不复杂：使用堆内存管理一块连续的空间，当空间不足时，重新申请更大的内存，把旧数据复制过去，然后释放原来的内存。
主要涉及以下几个关键点：
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容量（capacity）和大小（size）的区别：
size表示当前有效元素个数，capacity表示当前分配了多少内存。 - 扩容策略：一般采用倍增方式，比如 2 倍增长，也有部分实现是 1.5 倍。
- 拷贝或移动元素：扩容后需要把原来的数据迁移到新内存中。
如果你自己写一个类似 vector 的类，这几个概念必须搞清楚。
手动实现一个简易动态扩容数组
下面是一个简化版的动态数组实现，用于理解 vector 的基本工作方式：
templateclass MyVector { private: T* data; size_t capacity_; size_t size_; public: MyVector() : data(nullptr), capacity_(0), size_(0) {} ~MyVector() { delete[] data; } void push_back(const T& value) { if (size_ >= capacity_) { reserve(capacity_ == 0 ? 1 : capacity_ * 2); } data[size_++] = value; } void reserve(size_t new_cap) { if (new_cap <= capacity_) return; T* new_data = new T[new_cap]; for (size_t i = 0; i < size_; ++i) { new_data[i] = data[i]; } delete[] data; data = new_data; capacity_ = new_cap; } size_t size() const { return size_; } size_t capacity() const { return capacity_; } T& operator[](size_t index) { return data[index]; } };
这段代码实现了最基本的动态扩容逻辑：
- 初始容量为 0；
- 当
push_back时发现容量不够，就调用reserve； - 每次扩容为原来的两倍；
- 使用循环拷贝数据到新内存；
- 最后替换指针并更新容量。
当然实际的 std::vector 还要考虑构造、析构、移动语义等更复杂的细节。
实际 vector 的优化点
标准库中的 std::vector 在实现上会比上面的版本更高效，主要有以下几点优化：
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使用
malloc/free或自定义内存池：减少频繁的内存分配开销。 -
使用
placement new和显式调用析构函数：避免不必要的默认构造。 - 支持移动语义：在扩容时优先使用移动而不是拷贝，提高效率。
- 异常安全处理：保证在发生异常时不会丢失数据。
这些优化对于性能要求高的场景非常重要，但在理解 vector 底层原理时可以先忽略，先掌握基本结构。
扩容策略为什么选 2 倍？
很多实现中选择每次扩容为原来的两倍，而不是 1.5 倍或其他比例，原因在于时间复杂度分析：
- 如果每次增加固定长度，比如每次加 10，那插入 n 个元素的时间复杂度是 O(n²)；
- 如果每次乘以某个因子（如 2），则平均插入操作是 O(1)，因为摊还分析下每次操作的成本是常数。
虽然 2 倍看起来有点“浪费”，但它能保证整体性能最优。一些语言（如 Java 的 ArrayList）使用的是 1.5 倍，主要是为了节省内存，但代价是扩容次数稍微多一点。
基本上就这些。了解 vector 的底层机制，不仅能帮助你更好地使用它，还能提升你在算法题和系统设计中的表现。如果你想深入研究，建议去看 STL 的源码，比如 GCC 的 libstdc++ 或 MSVC 的 STL 实现。
