C++ vector扩容机制原理解析_C++ vector capacity与size的区别

vector的size表示实际元素个数，capacity为不重新分配内存时的最大容量，扩容时按倍数申请新内存并迁移数据，频繁扩容影响性能，可使用reserve预分配内存以优化。

在C++中，vector 是最常用的动态数组容器之一。它能够自动管理内存，在元素数量增加时自动扩容。理解其扩容机制以及 capacity 与 size 的区别，对写出高效、稳定的代码至关重要。

size 与 capacity 的基本区别

size() 表示当前 vector 中实际存储的元素个数；而 capacity() 表示 vector 在不重新分配内存的前提下最多能容纳的元素数量。

举个例子：

只有当插入新元素导致 size > capacity 时，vector 才会触发扩容，重新分配更大的内存空间，并将原有数据复制过去。

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vector 扩容机制原理

vector 使用连续内存存储元素。当容量不足时，会执行以下步骤：

• 申请一块更大的内存空间（通常为原容量的某个倍数）
• 将原有元素逐个拷贝或移动到新内存
• 释放旧内存
• 更新内部指针指向新内存区域

关键点在于：扩容是“昂贵操作”，涉及内存分配和数据迁移。因此应尽量减少频繁扩容。

大多数 STL 实现采用“成倍增长”策略，常见的是 1.5 倍或 2 倍扩容。例如：

• 起始 capacity = 1
• 插入第2个元素 → 扩容至 2
• 插入第3个元素 → 扩容至 4
• 插入第5个元素 → 扩容至 8

这种策略保证了均摊时间复杂度为 O(1) 的插入效率。

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如何优化扩容带来的性能损耗

可以通过预分配内存避免反复扩容：

• reserve(n)：提前设置 capacity 至少为 n，不改变 size
• resize(n)：改变 size 为 n，必要时也会扩容

如果已知将要存储大量元素，建议一开始就调用 reserve：

这样可将原本可能发生的十几次内存重分配降为零次，显著提升性能。

迭代器失效问题

每次扩容都会导致内存地址变更，因此所有指向原 vector 元素的迭代器、指针、引用都将失效。

例如：

编程时需特别注意这一点，尤其是在循环中修改 vector 并持有指针的情况。

基本上就这些。掌握 size 和 capacity 的差异，理解扩容机制，合理使用 reserve，能有效避免性能瓶颈和潜在 bug。

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