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【C++修炼之路 第五章】string 类（补充）：string 扩展空间规律 + reserve 的缩容 + resize 的使用

🕗 发布于 2024-07-24 18:54 c++  java  android  

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1、深入探寻 string 扩展空间的规律 与 capacity 的变化


1.1 string 内部的 _Buf 数组

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打开监视窗口，可以看到 string 类中有个成员变量：数组 _Buf

该数组空间大小为 16字节

上面存入不同长度的字符串时，可以发现两者存储的位置不同

  • 当存入字符串的长度小于 16字节时，就会存入自己的成员：数组中

  • 当大于16字节，会到内存中开辟空间，使用成员变量：指针 _Ptr 指向字符串


  类中 _Buf 数组的设计：小字符串无需存储在内存中，而是存在自己的数组中，以空间换取时间，提高不少时间效率，同时减少了内存碎片的产生

注意：实际上最多只能存入 15个有效字符，第16个字符是用于存字符串结尾的 ‘\0’

  没扩容前，capacity 就是固定为 15 字节大小：如下面字符串本身大小为 6（包括尾部的 ‘0’） ，而capacity 固定为 15，不是 6

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1.2 观察 不同平台和不同编译器之间 的不同扩容表现



⭐🐔 写一段程序：观察一下字符串底层的扩容

  其中，若扩容的容量 capacity 大小为单数：是因为扩容 capacity 时，capacity 会比真正开的空间少一个，多的一个是留给 ‘\0’ 的



同时，不同平台下不同编译器的扩容表现不同


⭐🐔 （1）Window环境下：VS2022：微软的 msvc


扩容规律：第一次扩容是 2倍扩容，其他次扩容都是 1.5 倍扩容

（先了解，为什么这样扩容的原理不用理解，大致和其本身的设计、 string 的 _Buf 数组 和 编译器有关）

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void TestPushBack()
{
string s;

size_t sz = s.capacity();
cout << "capacity changed: " << sz << '\n';

cout << "making s grow:\n"; // 下面用一个循环不断往 string 中 push 字符，观察其扩容
for (int i = 0; i < 200; ++i)
{
s.push_back('c');
if (sz != s.capacity()) // 用 sz 时刻检查其有无进行扩容
{
sz = s.capacity();
cout << "capacity changed: " << sz << '\n';
}
}
}


⭐🐔 （2）Linux环境下：g++ 4.8

同一段程序 void TestPushBack() 放入 Linux 环境下观察

这明显是标准的 2 倍扩容

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可以将下面这段代码放入 Linux 环境下观察：可知 capacity 是不计算 ‘\0’ 的

string s;
cout << sizeof(s) << '\n'; // sizeof 本身不计算一个字符串的 '\0'
cout << s.capacity() << '\n';
return 0;


⭐🐔 （3） Mac 环境下： Clang 编译器

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⭐🐔 （4）结论

可以得出结论：
1、无论是 VS ，还是 g++，还是 Clang ，string 的 capacity 都是不计算 ‘\0’ 的

2、根据对比可以知道，string 如何扩容，C++标准并没有明确规定，取决于编译器自己的实现



2、关于 reserve



2.1 reserve 的缩容性质 与 使用方法


⭐🐔 reserve 是可以改变 capacity 的

注意分辨两个相似的单词

  • reverse：反转 逆置
  • reserve：保留，存储



⭐🐔 使用 reserve 开空间：观察 capacity 的变化，谈一谈 reserve 的缩容


下面开 100 字节的空间，可以发现：capacity = 111

结论：在目前这个编译器下（ 即 VS ），reserve 开空间，会比你申请的数额要大 （VS 比较叛逆doge）

int main()
{
string s;
s.reserve(100);
cout << s.capacity() << '\n';
return 0;
}

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⭐🐔 对上面同一个 string ，再次让 reserve 开 10个字节空间，有的编译器会缩容成 reserve 指定的大小，有的不会


⭐🐔 （1）在 VS编译器下，capacity 缩水成 15

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⭐🐔 （2）在 Linux下，capacity 会缩成 10：即遵循你的 reserve，不会自己擅作主张（老听话了doge）

即：有些编译器不会主动缩水



⭐🐔实际上，在 VS 下：若 reserve 给的值 小于 当前 capacity ，同时 大于 16 ，默认不缩容

小于 16 缩容是因为：前面介绍过，string 类内部有个 空间大小为 16字节的数组 _Buf ，小于 16 的就放入自己的数组，而不是外面的内存，提高效率

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⭐🐔小结：虽然 reserve 有缩容功能，但是一般不使用缩容，因为不同的平台 reserve 缩容规则不同，会导致代码的可迁移性降低



2.2 reserve 的应用



⭐🐔 应用：使用 reserve 提前开好空间固定的 capacity ，可 减少运行过程的扩容操作

  上面的讨论可以得出结论：reserve 可以控制 capacity 的大小，同时可以固定住 capacity的大小，使空间大小不变化

  结合之前那段【void TestPushBack】的代码：使用 reserve 提前开空间，就无需在程序运行过程中不断的扩容了，这样会影响效率

void TestPushBack()
{
string s;
    ///
s.reserve(200);  // 若我们提前知道会用到多大的空间，就直接提前扩容
    ///
size_t sz = s.capacity();
cout << "capacity changed: " << sz << '\n';

cout << "making s grow:\n"; // 下面用一个循环不断往 string 中 push 字符，观察其扩容
for (int i = 0; i < 200; ++i)
{
s.push_back('c');
if (sz != s.capacity()) // 用 sz 时刻检查其有无进行扩容
{
sz = s.capacity();
cout << "capacity changed: " << sz << '\n';
}
}
}

注意：我们 reserve 200，内部开了 207（为什么不是 200 ：前面讲过 VS 比较叛逆doge）

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2.3 reserve 改变空间（capacity），但不改变可访问范围（size）


⭐🐔改变 capacity ，就等于你可以直接访问某块空间了吗？

比如：使用方括号访问下标 110 的位置，直接报错

string s;
s.reserve(200);
s[110] = 'x';

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⭐🐔结论：注意 capacity 是给字符串开辟空间，供字符串使用，而并不代表此时可访问范围有这么大

string 内部还有一个 size 成员，代表字符串的有效长度

capacity 的改变并不会影响 string 的 size （或者说一个容器的可访问范围是当前容器内的数据个数）

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谈一谈 string 内部的 size 和 capacity 各自有什么用？

​ 整个 string 可以访问的范围本来就是 capacity（用这个表示当前 string 拥有的总空间），但是不能全部将 capacity 的空间暴露出来（否则 string 会展示出来 空间后段未被使用的空间，都是随机值，没什么意义），而是用一个变量 size 来控制住 string 的有效范围，不管是 打印，还是什么操作，string 对外展示的就只是 size 的范围，即 string 的真正有效字符的范围

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3、关于 resize


resize 默认初始化为 ASCII码值为 0 的数值：‘\0’（文档中的 空字符就是 ‘\0’）

void resize (size_t n);

也可以自己给初值

void resize (size_t n, char c);

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3.1 resize 扩容，直接改变 size 和 capacity （不像 reserve 只能改变 capacity）


⭐🐔如下图：默认初始化为 ‘\0’ 且 改变 size 和 capacity

void resize (size_t n);

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⭐🐔给定初始化，同时你空间中原有的值，不会改变，只会影响剩余未被初始化的空间

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⭐🐔resize 不会缩容（即调整空间大小时，当resize的空间小于原来的 capacity 时，也不会改变 capacity）

⭐🐔resize 会 直接调整 字符串内部 size 的大小，直接调小了，会删除原有数据，即 截断后半段

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4、关于 shrink_to_fit （专门用于缩容）

​ 进行某些操作时， capacity 开的空间过多了，想要释放一下，就可以用这个函数：将 capacity 调整成 和 size

一般用这个缩容，不会用 reserve 缩容

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⭐🐔演示使用：

  这里 capacity 被缩容到与 size 差不多的大小（注意：这里的 capacity = 111 ，实际上是 capacity = 100，只是 VS编译器自动加了那 11 （前面讲过 VS 在扩容方面，会擅作主张加一点））

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int main()
{
string s;
s.resize(100);  // resize 改变 size：使 size 有基础大小
s.reserve(1000);    // reserve 改变 capacity，不改变 size：模拟 capacity 很大，需要释放的场景
cout << s.size() << '\n';
cout << s.capacity() << "\n\n";

s.shrink_to_fit();
cout << s.size() << '\n';
cout << s.capacity() << '\n';
return 0;
}


⭐🐔注意：不要经常使用这个函数

⭐🐔你以为他底层的缩容机制：是直接将后面不要的部分直接释放掉吗？（是直接截断后面的部分吗？）

实际上：是先找一块适当大小的空间，将原有空间的数据拷贝到新空间中，再 free 掉原来的那片空间

为什么不能直接截断？答：内存空间是不能分段释放的

因此：这里缩容的本质是拷贝加释放（在某些时候，拷贝的代价较大）


原文地址：https://blog.csdn.net/2301_79499548/article/details/140640734

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