优化std::vector的使用：避免不必要的拷贝

问题分析

让我们先看一个简单的三维向量类Vector3D的实现和使用std::vector<Vector3D>的示例：

代码示例

class Vector3D
{
private:
	int m_X, m_Y, m_Z;
public:
	Vector3D(int x, int y, int z)
		: m_X(x), m_Y(y), m_Z(z)
	{
		std::cout << "Vector3D(" << m_X << ',' << m_X << ',' << m_X << ") is created" << std::endl;
	}
	Vector3D(const Vector3D& vec)
		: m_X(vec.m_X), m_Y(vec.m_Y), m_Z(vec.m_Z)
	{
		std::cout << "Copied!!" << std::endl;
	}
	friend std::ostream& operator<<(std::ostream& stream, const Vector3D& vec);
};

std::ostream& operator<<(std::ostream& stream, const Vector3D& vec)
{
	stream << vec.m_X << ',' << vec.m_Y << ',' << vec.m_Z;
	return stream;
}

int main()
{
	std::vector<Vector3D> v;
	v.push_back(Vector3D(1, 2, 3));
	v.push_back(Vector3D(2, 3, 4));
	v.push_back(Vector3D(3, 4, 5));

	for (const Vector3D& it : v)
	{
		std::cout << it << std::endl;
	}
}

运行结果

Vector3D(1,1,1) is created
Copied!!
Vector3D(2,2,2) is created
Copied!!
Copied!!
Vector3D(3,3,3) is created
Copied!!
Copied!!
Copied!!
1,2,3
2,3,4
3,4,5

从输出可以看出存在两个主要问题：

1. 临时对象拷贝：每次调用push_back时，都会先构造一个临时Vector3D对象，然后再将其拷贝到vector中
2. 容量扩展拷贝：当vector容量不足时，会分配新的内存空间并将原有元素全部拷贝过去，导致额外的拷贝操作

解决方法

针对上述两个问题，我们在使用的过程中需要注意使用方式：

1. 预先分配足够容量

使用reserve()方法预先分配足够的空间，避免动态扩容带来的拷贝开销：

std::vector<Vector3D> v;
v.reserve(3);  // 预先分配3个元素的空间

2. 使用emplace_back替代push_back

emplace_back直接在vector的内存空间中构造对象，避免了临时对象的创建和拷贝：

v.emplace_back(1, 2, 3);  // 直接在vector中构造对象

优化后的代码示例

class Vector3D
{
private:
	int m_X, m_Y, m_Z;
public:
	Vector3D(int x, int y, int z)
		: m_X(x), m_Y(y), m_Z(z)
	{
		std::cout << "Vector3D(" << m_X << ',' << m_X << ',' << m_X << ") is created" << std::endl;
	}
	Vector3D(const Vector3D& vec)
		: m_X(vec.m_X), m_Y(vec.m_Y), m_Z(vec.m_Z)
	{
		std::cout << "Copied!!" << std::endl;
	}
	friend std::ostream& operator<<(std::ostream& stream, const Vector3D& vec);
};

std::ostream& operator<<(std::ostream& stream, const Vector3D& vec)
{
	stream << vec.m_X << ',' << vec.m_Y << ',' << vec.m_Z;
	return stream;
}

int main()
{
	std::vector<Vector3D> v;
	v.reserve(3);
	v.emplace_back(1, 2, 3);
	v.emplace_back(2, 3, 4);
	v.emplace_back(3, 4, 5);

	for (const Vector3D& it : v)
	{
		std::cout << it << std::endl;
	}
}

运行结果

Vector3D(1,1,1) is created
Vector3D(2,2,2) is created
Vector3D(3,3,3) is created
1,2,3
2,3,4
3,4,5

可以看到，优化后的代码完全消除了不必要的拷贝操作，效率显著提高。

总结

通过合理使用reserve和emplace_back，我们可以显著减少std::vector使用过程中的不必要拷贝，提高程序性能。这种优化对于包含复杂对象的vector尤为重要。记住：预先规划好容量，尽量直接在容器中构造对象，是高效使用std::vector的关键。