C++ STL中用vector 改进内存的再分配

作者： winter

　　这里描述的是一种很常见的情况：当你在某个缓存中存储数据时，常常需要在运行时调整该缓存的大小，以便能容纳更多的数据。传统的内存再分配技术非常繁琐，而且容易出错：在 C 语言中，一般都是每次在需要扩充缓存的时候调用 realloc()。在 C++ 中情况更糟，你甚至无法在函数中为 new 操作分配的数组重新申请内存。你不仅要自己做分配处理，而且还必须把原来缓存中的数据拷贝到新的目的缓存，然后释放先前数组的缓存。本文将针对这个问题提供一个安全、简易并且是自动化的 C++ 内存再分配技术——即使用 STL 的 vector。

　　用 STL vector 对象取代内建的数组来保存获取的数据，既安全又简单，并且是自动化的。

　　进一步的问题分析

　　在提出解决方案之前，我先给出一个具体的例子来说明 C++ 重新分配内存的弊病和复杂性。假设你有一个编目应用程序，它读取用户输入的 ISBNs，然后将之插入一个数组，直到用户输入 0 为止。如果用户插入的数据多于数组的容量，那么你必须相应地增加它的大小：

#include  < iostream >
using   namespace  std;

int  main()
... {
　int size=2; // 初始化数组大小；在运行时调整。
　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) // 数组是否到达上限?
　　　reallocate(p, size);
　　　p[n]=isbn; // 将元素插入扩容的数组
　}
　delete [] p; // 不要忘了这一步!
}

 

　　注意上述这个向数组插入数据的过程是多么的繁琐。每次反复，循环都要检查缓存是否达到上限。如果是，则程序调用用户定义的函数 reallocate()，该函数实现如下：

#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() 算法对缓存进行合理的扩充——每次扩充都放大一倍。这种方法可以避免预先分配过多的内存，从量上减少需要重新分配的内存。这个技术需要得到充分的测试和调试，当初学者实现时尤其如此。此外，reallocate() 并不通用，它只能处理整型数组的情形。对于其它数据类型，它无能为力，你必须定义该函数额外的版本或将它模板化。幸运的是，有一个更巧妙的办法来实现。

　　创建和优化 vector

　　每一个 STL 容器都具备一个分配器（allocator），它是一个内建的内存管理器，能自动按需要重新分配容器的存储空间。因此，上面的程序可以得到大大简化，并摆脱 reallocator 函数。

　　第一步：创建 vector

　　用 vector 对象取代内建的数组来保存获取的数据。main() 中的循环读取 ISBN，检查它是否为 0，如果不为 0 ，则通过调用 push_back() 成员函数将值插入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 对象构造期间，它先分配一个由其实现定义的默认的缓存大小。一般 vector 分配的数据存储初始空间是 64-256 存储槽（slots）。当 vector 感觉存储空间不够时，它会自动重新分配更多的内存。实际上，只要你愿意，你可以调用 push_back() 任何多次，甚至都不用知道一次又一次的分配是在哪里发生的。

　　为了存取 vector 元素，使用重载的 [] 操作符。下列循环在屏幕上显示所有 vector 元素：

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

　　第二步：优化

　　在大多数情况下，你应该让 vector 自动管理自己的内存，就像我们在上面程序中所做的那样。但是，在注重时间的任务中，改写默认的分配方案也是很有用的。假设我们预先知道 ISBNs 的数量至少有 2000。那么就可以在对象构造期间指出容量，以便 vector 具有至少 2000 个元素的容量：

vector < int >  vi( 2000 );  //  初始容量为 2000 个元素

 

　　除此之外，我们还可以调用 resize() 成员函数：

 vi.resize( 2000 ); //  建立不小于 2000 个元素的空间

　　这样，便避免了中间的再分配，从而提高了效率。