vector 容器使用時應該注意的內存分配問題

本文說明了vector 容器使用時應該注意的內存分配問題，原理說的比較詳細，對於初學者比較適用。

本文描述的是一種很常見的情況：當你在某個緩存中存儲數據時，常常需要在運行時調整該緩存的大小，以便能容納更多的數據。本文將討論如何使用 STL 的 vector 進行內存的再分配。
　　這裏描述的是一種很常見的情況：當你在某個緩存中存儲數據時，常常需要在運行時調整該緩存的大小，以便能容納更多的數據。傳統的內存再分配技術非常繁瑣，而且容易出錯：在 C 語言中，一般都是每次在需要擴充緩存的時候調用 realloc()。在 C++ 中情況更糟，你甚至無法在函數中爲 new 操作分配的數組重新申請內存。你不僅要自己做分配處理，而且還必須把原來緩存中的數據拷貝到新的目的緩存，然後釋放先前數組的緩存。本文將針對這個問題提供一個安全、簡易並且是自動化的 C++ 內存再分配技術——即使用 STL 的 vector。

　　用 STL vector 對象取代內建的數組來保存獲取的數據，既安全又簡單，並且是自動化的。

進一步的問題分析

　　在提出解決方案之前，我先給出一個具體的例子來說明 C++ 重新分配內存的弊病和複雜性。假設你有一個編目應用程序，它讀取用戶輸入的 ISBNs，然後將之插入一個數組，直到用戶輸入 0 爲止。如果用戶插入的數據多於數組的容量，那麼你必須相應地增加它的大小：

#include ＜iostream＞
using namespace std;

int main()
{
　int size=2; // 初始化數組大小；在運行時調整。
　int *p = new int[size];
　int isbn;
　for(int n=0; ;++n)
　{
　　cout＜＜ "enter an ISBN; press 0 to stop ";
　　cin＞＞isbn;
　　if (isbn==0)
　　　break;
　　if (n==size) // 數組是否到達上限?
　　　reallocate(p, size);
　　　p[n]=isbn; // 將元素插入擴容的數組
　}
　delete [] p; // 不要忘了這一步!
}

　　注意上述這個向數組插入數據的過程是多麼的繁瑣。每次反覆，循環都要檢查緩存是否達到上限。如果是，則程序調用用戶定義的函數 reallocate()，該函數實現如下：

#include ＜algorithm＞ // for std::copy

int reallocate(int* &p, int& size)
{
　size*=2; // double the array''s size with each reallocation
　int * temp = new int[size];
　std::copy(p, p+(size/2), temp);
　delete [] p; // release original, smaller buffer
　p=temp; // reassign p to the newly allocated buffer
}

　　reallocate() 使用 STL std::copy() 算法對緩存進行合理的擴充——每次擴充都放大一倍。這種方法可以避免預先分配過多的內存，從量上減少需要重新分配的內存。這個技術需要得到充分的測試和調試，當初學者實現時尤其如此。此外，reallocate() 並不通用，它只能處理整型數組的情形。對於其它數據類型，它無能爲力，你必須定義該函數額外的版本或將它模板化。幸運的是，有一個更巧妙的辦法來實現。

　　創建和優化 vector

　　每一個 STL 容器都具備一個分配器（allocator），它是一個內建的內存管理器，能自動按需要重新分配容器的存儲空間。因此，上面的程序可以得到大大簡化，並擺脫 reallocator 函數。
　　第一步：創建 vector
　　用 vector 對象取代內建的數組來保存獲取的數據。main() 中的循環讀取 ISBN，檢查它是否爲 0，如果不爲 0 ，則通過調用 push_back() 成員函數將值插入　

vector： #include ＜iostream＞
#include ＜vector＞
using namespace std;

int main()
{
　vector ＜int＞ vi;
　int isbn;
　while(true)
　{
　　cout ＜＜ "enter an ISBN; press 0 to stop ";
　　cin ＞＞ isbn;
　　if (isbn==0)
　　　break;
　　vi.push_back(isbn); // insert element into vector
　}　
}

　　在 vector 對象構造期間，它先分配一個由其實現定義的默認的緩存大小。一般 vector 分配的數據存儲初始空間是 64-256 存儲槽（slots）。當 vector 感覺存儲空間不夠時，它會自動重新分配更多的內存。實際上，只要你願意，你可以調用 push_back() 任何多次，甚至都不用知道一次又一次的分配是在哪裏發生的。
　　爲了存取 vector 元素，使用重載的 [] 操作符。下列循環在屏幕上顯示所有 vector 元素：　

for (int n=0; n＜vi.size(); ++n)
{
　cout＜＜"ISBN: "＜＜vi[n]＜＜endl;
}

　　第二步：優化

　　在大多數情況下，你應該讓 vector 自動管理自己的內存，就像我們在上面程序中所做的那樣。但是，在注重時間的任務中，改寫默認的分配方案也是很有用的。假設我們預先知道 ISBNs 的數量至少有 2000。那麼就可以在對象構造期間指出容量，以便 vector 具有至少 2000 個元素的容量：

vector ＜int＞ vi(2000); // 初始容量爲 2000 個元素

　　除此之外，我們還可以調用 resize() 成員函數：　

vi.resize(2000);// 建立不小於 2000 個元素的空間

　　這樣，便避免了中間的再分配，從而提高了效率。