【C++】养很多鱼，只为观察向量的生长

向量的存储空间根据需要而自动伸缩。当现有的存储空间不足以容纳新增元素时，向量会自动申请新的存储空间，并将旧的元素进行迁移。我们通过分析下述C++程序来理解向量的内存管理行为。

本文引用自作者编写的下述图书; 本文允许以个人学习、教学等目的引用、讲授或转载，但需要注明原作者"海洋饼干叔
叔"；本文不允许以纸质及电子出版为目的进行抄摘或改编。
1.《Python编程基础及应用》，陈波，刘慧君，高等教育出版社。免费授课视频 Python编程基础及应用
2.《Python编程基础及应用实验教程》, 陈波，熊心志，张全和，刘慧君，赵恒军，高等教育出版社Python编程基础及应用实验教程
3. 《简明C及C++语言教程》，陈波，待出版书稿。免费授课视频

//Project - FishVector
#include 
#include 
using namespace std;

class Fish{
    string sNumber;
public:
    Fish(){
        static int i = 0;
        sNumber = std::to_string(i++);
        cout << "Fish constructor: " << sNumber << endl;
    }

    Fish(const Fish& r){
        sNumber = r.sNumber + "[Copy]";
        cout << "Fish copy constructor: " << sNumber << endl;
    }

    ~Fish(){ cout << "Fish destructor: " << sNumber << endl; }
};

int main(){
    vector<Fish> f(2);    //0,1号鱼
    printf("f.capacity = %d, f.size = %d\n",f.capacity(),f.size());
    Fish f2;              //2号鱼
    cout << "-------------f.push_back(f2)----------" << endl;
    f.push_back(f2);
    printf("f.capacity = %d, f.size = %d\n",f.capacity(),f.size());
    cout << "vector f is " << (f.empty()?"empty.\n":"not empty.\n");
    cout << "-------------f.pop_back()-------------" << endl;
    f.pop_back();
    cout << "-------------f.resize(1)--------------" << endl;
    f.resize(1);
    cout << "-------------f.clear()----------------" << endl;
    f.clear();
    return 0;
}
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上述程序的执行结果为：

Fish constructor: 0
Fish constructor: 1
f.capacity = 2, f.size = 2
Fish constructor: 2
-------------f.push_back(f2)----------
Fish copy constructor: 2[Copy]
Fish copy constructor: 0[Copy]
Fish copy constructor: 1[Copy]
Fish destructor: 0
Fish destructor: 1
f.capacity = 4, f.size = 3
vector f is not empty.
-------------f.pop_back()-------------
Fish destructor: 2[Copy]
-------------f.resize(1)--------------
Fish destructor: 1[Copy]
-------------f.clear()----------------
Fish destructor: 0[Copy]
Fish destructor: 2
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说明：不同版本的标准模板库在算法策略上会有差异，在读者的计算机上，上述执行结果很可能与本书存在差异。

🚩第6 ~ 21行：Fish类型的构造函数通过局部静态变量i为每个新对象提供一个唯一的序号（sNumber）。当Fish对象被拷贝构造时，sNumber序号会增加"[Copy]"字样，以表明拷贝生成的新对象是由哪一个旧对象拷贝而得的。无论是构造函数，拷贝构造函数，还是析构函数，都会向控制台打印包括序号的报告信息，以便于我们观察向量元素增减时的内存管理行为。

🚩第24行：f向量的构造参数2导致向量自动创建了0号鱼及1号鱼。0，1号鱼的构造函数输出见执行结果的第1 ~ 2行。可以想象，该行代码事实上要求Fish类型必须具备一个“零参数”的构造函数，否则编译器会报错。

🚩第25行：capacity()成员函数返回向量对象的容量，即向量对象能够容纳的元素个数；size()成员函数返回向量对象当前实际包含的元素个数。执行结果的第3行显示，当前容量（capacity）及尺寸（size）均为2。这提示，如果试图往向量中增加一个元素，将存在向量内存空间不足的问题。

🚩第26行：定义并构建了2号鱼对象。其构造函数的输出见执行结果的第4行。

🚩第27 ~ 28行：pushback(f2)将2号鱼加入向量f的末尾。C++并不能把2号鱼从外部变量f2“移入”向量，它只能将外部对象f2“复制”至向量内。但当前向量f的容量和尺寸都为2，没有剩余空间，为了将f2加入向量，pushback()函数做了如下工作。

• 在堆中申请并分配新的足够的存储空间；
• 将2号鱼，即f2对象拷贝构造至新空间内的2号位置（从下标0开始数）。相关拷贝构造函数的输出见执行结果的第6行。请注意，向量内的2号鱼的序号已变为2[Copy]。
• 将向量内原有的0，1号鱼由旧空间拷贝至新空间的对应位置。相关拷贝构造函数的输出见执行结果的第7 ~ 8行。请注意，向量内的0，1号鱼的序号变为0[Copy]及1[Copy]。
• 释放旧空间，旧空间内的原0，1号鱼的析构函数被执行。相关析构函数的输出见执行结果的第9 ~ 10行。

可以想象，push_back()函数的这种“复制”行为要求元素类型具有公开的拷贝构造函数（可以是默认的），否则，编译器会报错。

🚩第29行：再次打印向量f的容量及尺寸。执行结果的第11行可见，容量为4，尺寸为3。这提示，向量f“认为”使用者有可能会再次往向量内增加元素，push_back()函数在分配新空间时作了适当的预留。

🚩第30行：当向量内容纳的元素个数为0时，empty()成员函数返回真，否则为假。执行结果的第12行显示，向量f非空。

🚩第31 ~ 32行：pop_back()成员函数将向量的最后一个元素弹出。执行结果的第14行可见，向量内的2号鱼被析构，其序号为2[Copy]。

🚩第33 ~ 34行：resize( n )成员函数将向量内的元素个数修改为n。如果n大于向量内的当前元素个数，向量将自动新增元素来实现目标；如果n小于向量内的当前元素个数，则末尾方向的多余元素会被移除。第34行执行前，向量f内有2个元素，resize(1)导致1号鱼被移除，相关析构函数输出见执行结果第16行，其序号为1[Copy]。

🚩第35 ~ 36行：clear()成员函数清空向量内的全部元素。执行结果第18行显示，向量内的最后一个元素，序号为0[Copy]的0号鱼被析构。

在执行结果的最后一行，我们还看到了局部变量f2的析构输出。

向量等容器还提供emplace_back()函数【C++ 11】，它们的功能与push_back()类似，但实现机制略有差别。我们结合下述程序进行解释。

//Project - EmplaceFish
#include 
#include 
using namespace std;

class Fish{
    string sName;
public:
    Fish(const char* name){
        sName = name;
        cout << "Fish constructor: " << sName << endl;
    }

    Fish(const Fish& r){
        sName = r.sName;
        cout << "Fish copy constructor: " << sName << endl;
    }
};

int main(){
    vector<Fish> v;
    v.reserve(10);  //提前分配10个元素的空间
    v.push_back(Fish("Tom"));
    v.push_back("Dora");
    v.emplace_back("Charlie");
    return 0;
}
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上述程序的执行结果为：

Fish constructor: Tom
Fish copy constructor: Tom
Fish constructor: Dora
Fish copy constructor: Dora
Fish constructor: Charlie
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🚩第22行：执行reserve()函数提前为向量分配10个元素的空间，以避免通过push_back()、emplace_back()函数添加新元素时重新分配内存。

🚩第23行：程序先执行Fish的构造函数，构造一个临时对象，其输出见执行结果的第1行。push_back()函数则把临时对象Tom鱼通过拷贝构造函数复制到向量内部，相关拷贝构造函数的输出见执行结果的第2行。

🚩第24行：push_back()函数的参数为一个C风格的字符数组，其类型为const char*。显然，向量v预期存储Fish对象，而不是const char*类型的对象，但这行代码会通过编译并正确执行：

• 编译器“聪明”地执行Fish的构造函数，以“Dora”为参数，构建了一个用完即弃的临时对象。相关构造输出对应执行结果的第3行。
• push_back()函数将临时Fish对象拷贝复制到向量内。相关拷贝构造输出对应执行结果的第4行。

🚩第25行：emplace_back()函数与push_back()函数有如下区别。

• emplace_back()函数的预期参数并不是Fish对象（结合本例），而是Fish类型的构造参数。其参数的个数及类型取决于Fish的构造函数定义。
• emplace_back()向向量增加元素的方法并不是先构造、后复制，而是直接在分配好的元素空间上执行Fish类型的构造函数，以"Charlie"为参数（结合本例）。相关构造函数输出对应执行结果第5行。

理论上，如果待添加的元素不是一个已经存在的Fish对象，emplace_back()函数的执行效率比push_back()高。

如果需要在向量的特定位置插入或者删除元素，则需要使用到迭代器（iterator），请见本章后续部分。

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