面试题：C++ 中vector的内存管理机制

Question

请描述C++中vector是如何进行内存管理的，包括内存的分配、增长策略以及释放机制。并举例说明在何种情况下会导致vector的内存重新分配。

Answer 1

1. 内存分配

vector在内部使用动态数组来存储元素。当创建一个vector对象时，它会在堆上分配一块连续的内存空间来存储元素。例如：

std::vector<int> vec;

这里vec在初始时分配了足以容纳0个元素的内存（实际可能有少量额外开销）。

2. 增长策略

• 初始容量：vector的初始容量（capacity）可能为0，随着元素的插入，它会根据需要增加容量。
• 容量增长方式：当vector的size（当前存储的元素个数）达到capacity（当前分配的内存可容纳的最大元素个数）时，vector会重新分配内存。通常新的容量是原容量的两倍（不同编译器实现可能略有差异）。例如：

std::vector<int> vec;
for(int i = 0; i < 10; ++i) {
    vec.push_back(i);
}

这里随着元素不断插入，当容量不足时会重新分配内存并将旧元素复制到新内存。

3. 释放机制

• 析构：当vector对象被销毁（例如超出作用域）时，它会自动释放其占用的内存。vector的析构函数会先调用每个元素的析构函数（如果元素是类类型），然后释放存储元素的动态数组的内存。
• clear与shrink_to_fit：clear函数只是将size置为0，并不会释放内存，元素的析构函数会被调用。而shrink_to_fit尝试减少容量以匹配当前size，但这只是一个请求，不同编译器实现可能不同，不一定能完全达到释放多余内存的效果。例如：

std::vector<int> vec{1, 2, 3};
vec.clear(); // size变为0，但容量可能不变
vec.shrink_to_fit(); // 尝试减少容量到size大小

4. 导致内存重新分配的情况

• push_back：当size达到capacity时，调用push_back添加新元素会导致内存重新分配。例如：

std::vector<int> vec;
for(int i = 0; i < 10; ++i) {
    std::cout << "size: " << vec.size() << ", capacity: " << vec.capacity() << std::endl;
    vec.push_back(i);
}

每次容量不足时，vector会重新分配内存，容量一般变为原来的两倍。

• insert：在vector中间插入元素时，如果当前容量不足，也会导致内存重新分配。例如：

std::vector<int> vec{1, 2, 3};
vec.insert(vec.begin() + 1, 10); // 如果容量不足，会重新分配内存

• resize：如果resize后的大小超过当前容量，会导致内存重新分配。例如：

std::vector<int> vec{1, 2, 3};
vec.resize(10); // 如果原容量小于10，会重新分配内存