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C++ vector 的扩容机制是什么?(如何使用 reserve 减少开销)

穿越時空

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发布时间:2026-02-13 14:07:32

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来源于php中文网

原创

vector扩容时会重新分配内存、拷贝/移动旧元素、销毁旧内存,触发深拷贝且旧内存立即失效;增长倍数通常为1.5×或2×,但关键在于每次扩容都带来开销。

c++ vector 的扩容机制是什么?(如何使用 reserve 减少开销)

vector 扩容时到底发生了什么

每次 push_back 超出当前容量,vector 就得重新分配内存、拷贝旧元素、销毁旧内存——这三步全是开销。底层通常按 1.5× 或 2× 增长(具体看编译器实现,比如 libstdc++ 用 1.5,MSVC 用 2),但增长倍数不重要,关键在于:**每次扩容都触发深拷贝,且旧内存立即失效**。

常见错误现象:valgrind 报告大量无效读写、性能分析发现 operator new 占比异常高、对象析构次数远超构造次数(说明中间被反复拷贝又销毁)。

  • 扩容不是“加几个字节”,而是 new 一块新连续内存,再逐个调用元素的拷贝/移动构造函数
  • 若元素类型没有移动构造函数(比如含 std::mutex 的类),只能拷贝,开销更大
  • 即使用了 emplace_back,也无法绕过内存重分配本身

reserve 什么时候该用、怎么用才有效

reserve 只影响容量(capacity),不影响大小(size),它不构造任何元素,只是提前申请好内存。但它只有在「能预估最终元素数量」时才真正省事。

使用场景:读配置文件前知道要解析多少条记录、网络收包前已知批量大小、循环前已知迭代次数。

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  • 别在循环里反复调用 reserve(比如每次 push_back 前都 reserve(size()+1)),这等于自己模拟低效扩容
  • 如果预估偏差大(比如 reserve(1000) 但最后只存 3 个),浪费内存但不伤正确性;反之 reserve(10) 却 push_back 1000 次,该扩容还是得扩
  • 对空 vectorreserve(N)capacity() 至少为 N,但 size() 仍为 0

示例:

std::vector<std::string> v;<br>v.reserve(1000); // 立即分配足够存 1000 个 string 的内存<br>// 后续 1000 次 push_back 不会触发扩容

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reserve 和 resize 的根本区别

reserve 是管“地”,resize 是管“人”——前者只申请内存空间,后者会实际构造/销毁元素。

错误用法:用 resize 替代 reserve 来“预分配”,结果所有元素都被默认构造(比如 std::string 构造了 1000 个空串,后续还要赋值覆盖)。

  • v.reserve(N):容量 ≥ N,大小不变,无构造/析构发生
  • v.resize(N):大小变成 N,若原 size N,则末尾元素被析构
  • 对 POD 类型(如 int),resize 不初始化,但 reserve 同样不碰数据——别指望它们清零

move 语义和 reserve 的配合效果

即使用了 reserve,如果后续 push_back 的是左值,仍可能触发拷贝;换成右值或启用移动构造,才能把扩容前的拷贝开销压到最低。

性能影响明显:对于大对象(如含大 buffer 的自定义类),移动比拷贝快一个数量级;但前提是类自己实现了移动构造函数。

  • 确认你的类型支持移动:检查是否有 T(T&&) 且未被 =delete
  • 传入 push_back(std::move(x)) 或直接 emplace_back(...) 避免临时对象拷贝
  • 注意:reserve 不能让移动变快,但它确保移动只发生一次(扩容时),而不是每次扩容都移动一遍旧数据

容易被忽略的一点:vector 的迭代器在 reserve 后依然有效,但只要发生任何导致扩容的插入(哪怕只是一次 push_back),所有迭代器、指针、引用全部失效——这点和 reserve 是否调用过无关。

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