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C++ 面試必讀 :vector 對象到底在堆上還是棧上?這次徹底搞清楚!

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本文我用最通俗的語言,配合幾個(gè)小例子,幫你徹底搞清楚 vector 對象到底是在堆上還是棧上這個(gè)問題。

今天咱們來聊一個(gè) C++ 面試中的'送命題':vector 對象到底是在堆上還是棧上?

這個(gè)問題看似簡單,但我敢打賭,很多人(包括當(dāng)年的我)第一次回答時(shí)都栽在這上面了。為什么?因?yàn)檫@個(gè)問題的正確答案是:視情況而定!

接下來我用最通俗的語言,配合幾個(gè)小例子,幫你徹底搞清楚這個(gè)問題。保證下次面試遇到它,你不僅能答對,還能讓面試官對你刮目相看!

一、先別急,咱們得搞清楚"對象"和"元素"的區(qū)別

在討論這個(gè)問題之前,我們需要搞清楚:

  • vector對象:就是我們聲明的那個(gè)容器本身
  • vector元素:是存在容器里面的那些數(shù)據(jù)

這兩個(gè)概念不分清楚,問題就沒法討論了。

二、vector對象:看聲明方式?jīng)Q定去向

說到 vector 對象是在堆上還是棧上,其實(shí)完全取決于你 如何聲明它。就跟普通的 C++ 對象一樣,沒啥特別的。

情況一:棧上的 vector

void func() {
    std::vector<int> vec;  // 這個(gè)vector對象在棧上
    vec.push_back(10);
    vec.push_back(20);
    // 函數(shù)結(jié)束,vec自動銷毀
}

當(dāng)你像上面這樣直接聲明一個(gè) vector 時(shí),這個(gè)對象就在棧上。函數(shù)執(zhí)行完,它就自動銷毀了,簡單省事。

情況二:堆上的vector

void func() {
    std::vector<int>* vec_ptr = new std::vector<int>;  // 這個(gè)vector對象在堆上
    vec_ptr->push_back(10);
    vec_ptr->push_back(20);
    
    // 不要忘記刪除堆上的對象!
    delete vec_ptr;
}

當(dāng)你用new關(guān)鍵字創(chuàng)建 vector 時(shí),這個(gè)對象就在堆上。你必須記得用delete來手動釋放它,否則就會內(nèi)存泄漏。

情況三:類成員中的vector

class MyClass {
private:
    std::vector<int> vec;  // 這個(gè)vector對象跟隨MyClass對象走
};

// 如果MyClass對象在棧上
MyClass obj;  // vec也在棧上

// 如果MyClass對象在堆上
MyClass* ptr = new MyClass();  // vec也在堆上

如果 vector 是類的成員變量,那它的位置取決于類對象在哪里。類對象在棧上,vector就在棧上;類對象在堆上,vector就在堆上。

情況四:全局或靜態(tài)vector

// 全局vector(在文件作用域聲明)
std::vector<int> global_vec;

void func() {
    // 靜態(tài)局部vector(函數(shù)內(nèi)static聲明)
    static std::vector<int> static_vec;
    
    // 使用全局和靜態(tài)vector
    global_vec.push_back(100);
    static_vec.push_back(200);
}

全局 vector 和靜態(tài) vector 對象是放在哪里呢?它們既不在棧上,也不完全等同于堆上的對象!它們位于程序的全局?jǐn)?shù)據(jù)區(qū)(也叫靜態(tài)存儲區(qū))。

這塊內(nèi)存區(qū)域有什么特點(diǎn)呢?

  • 生命周期貫穿整個(gè)程序運(yùn)行期間
  • 程序啟動時(shí)就分配好了內(nèi)存
  • 程序結(jié)束時(shí)才會釋放
  • 不需要像堆內(nèi)存那樣手動 delete

全局和靜態(tài) vector 非常適合需要在多個(gè)函數(shù)之間共享且長期存在的數(shù)據(jù)。但要注意,它們在程序啟動時(shí)就構(gòu)造好了,退出時(shí)才析構(gòu),所以不要放太多數(shù)據(jù)在里面,否則會占用內(nèi)存很長時(shí)間!

三、但是!vector的元素幾乎總是在堆上!

雖然 vector 對象本身可能在棧上,但它內(nèi)部存儲的元素幾乎總是在堆上的!這就是很多人容易混淆的地方。

為什么元素要放在堆上而不是棧上呢?主要有這幾個(gè)原因:

  • ??臻g有限:棧的大小通常只有幾MB(比如 Windows 下默認(rèn)1MB,Linux下默認(rèn)8MB),而堆空間可以大得多。如果你的 vector 要存上萬個(gè)元素,放在棧上很容易棧溢出。
  • 動態(tài)增長需求:vector 最大的特點(diǎn)就是能隨時(shí)添加元素并自動擴(kuò)容。棧上的內(nèi)存在編譯時(shí)就固定了大小,沒法動態(tài)擴(kuò)展,而堆內(nèi)存可以隨時(shí)申請和釋放。
  • 生命周期控制:將元素放在堆上,vector 可以完全控制這些元素的生命周期,不受函數(shù)調(diào)用棧的限制。

所以,vector 在設(shè)計(jì)上就是通過內(nèi)部的指針指向堆內(nèi)存來實(shí)現(xiàn)的。當(dāng)你使用 push_back 添加元素時(shí),這些元素實(shí)際上被存儲在這塊堆內(nèi)存里,而不是 vector 對象本身所在的空間里。

看個(gè)例子:

std::vector<int> vec;  // vec對象在棧上
// 但當(dāng)你push_back時(shí)...
vec.push_back(10);  
vec.push_back(20);
// 這些元素是存儲在堆上的!

來看一張簡單的內(nèi)存示意圖:

棧內(nèi)存:                     堆內(nèi)存:
+------------------+       +-----------------+
| vector對象       |       | 元素1 (10)      |
| - size (2)       |       | 元素2 (20)      |
| - capacity (4)   |       | [預(yù)留空間]      |
| - data指針 ------+------>| [預(yù)留空間]      |
+------------------+       +-----------------+

四、特殊情況:小型vector優(yōu)化(Small Vector Optimization)

有些 C++ 庫的實(shí)現(xiàn)中,為了提高性能,會對小型 vector 做特殊處理。當(dāng)元素很少且很小時(shí),有些實(shí)現(xiàn)會直接把元素存在 vector 對象內(nèi)部的??臻g里,而不是堆上。

這種技術(shù)叫"小型vector優(yōu)化",在多個(gè)主流 C++ 庫中都有實(shí)現(xiàn):

  • Boost(一些 Boost 容器實(shí)現(xiàn))
  • folly(Facebook 的 C++ 庫)

實(shí)現(xiàn)方式通常是在 vector 對象內(nèi)部預(yù)留一小塊固定大小的內(nèi)存空間(比如能放3-4個(gè)int),當(dāng)元素?cái)?shù)量少時(shí)就直接用這塊空間,避免堆分配的開銷。只有當(dāng)元素?cái)?shù)量超過這個(gè)閾值時(shí),才會轉(zhuǎn)為在堆上分配。

但這是實(shí)現(xiàn)細(xì)節(jié),不同的編譯器和庫可能有不同的處理方式。面試時(shí)提到這點(diǎn)會加分不少!

五、直觀驗(yàn)證:動手試一試

理論說了這么多,不如親手試試!下面是一個(gè)小實(shí)驗(yàn),能幫你真正理解 vector 對象和元素的內(nèi)存位置:

#include <iostream>
#include <vector>
usingnamespacestd;

// 全局vector
vector<int> global_vec;

// 定義一個(gè)包含vector成員的類
class MyClass {
public:
    vector<int> member_vec;  // 類成員vector
};

// 檢查內(nèi)存地址范圍的函數(shù)
void check_memory_location(const void* ptr, const string& name) {
    // 將指針轉(zhuǎn)換為無符號整數(shù),便于比較
    uintptr_t addr = reinterpret_cast<uintptr_t>(ptr);
    
    // 在大多數(shù)系統(tǒng)中,棧地址通常很大(高地址)
    // 堆地址通常在中間范圍
    // 全局/靜態(tài)數(shù)據(jù)通常在較低地址
    
    cout << name << " 的地址: 0x" << hex << addr << dec << endl;
}

int main() {
    // 聲明一個(gè)自動變量作為棧引用
    int stack_ref = 0;
    
    // 創(chuàng)建一個(gè)堆變量作為堆引用
    int* heap_ref = newint(0);
    
    cout << "-------- 不同內(nèi)存區(qū)域的參考地址 --------" << endl;
    check_memory_location(&stack_ref, "棧變量");
    check_memory_location(heap_ref, "堆變量");
    check_memory_location(&global_vec, "全局變量");
    
    cout << "\n-------- 不同vector對象的位置 --------" << endl;
    
    // 1. 棧上的vector
    vector<int> stack_vec;
    check_memory_location(&stack_vec, "棧上的vector對象");
    
    // 2. 堆上的vector
    vector<int>* heap_vec = newvector<int>();
    check_memory_location(heap_vec, "堆上的vector對象");
    
    // 3. 靜態(tài)vector
    staticvector<int> static_vec;
    check_memory_location(&static_vec, "靜態(tài)vector對象");
    
    // 4. 類成員vector - 棧上的類對象
    MyClass stack_obj;
    check_memory_location(&stack_obj.member_vec, "棧上類對象的vector成員");
    
    // 5. 類成員vector - 堆上的類對象
    MyClass* heap_obj = new MyClass();
    check_memory_location(&(heap_obj->member_vec), "堆上類對象的vector成員");
    
    cout << "\n-------- vector元素的位置 --------" << endl;
    
    // 添加元素
    stack_vec.push_back(1);
    heap_vec->push_back(2);
    static_vec.push_back(3);
    global_vec.push_back(4);
    stack_obj.member_vec.push_back(5);
    heap_obj->member_vec.push_back(6);
    
    // 檢查元素地址
    check_memory_location(stack_vec.data(), "棧上vector的元素");
    check_memory_location(heap_vec->data(), "堆上vector的元素");
    check_memory_location(static_vec.data(), "靜態(tài)vector的元素");
    check_memory_location(global_vec.data(), "全局vector的元素");
    check_memory_location(stack_obj.member_vec.data(), "棧上類對象vector成員的元素");
    check_memory_location(heap_obj->member_vec.data(), "堆上類對象vector成員的元素");
    
    // 清理堆內(nèi)存
    delete heap_vec;
    delete heap_obj;
    delete heap_ref;
    
    return0;
}

當(dāng)你運(yùn)行這段代碼時(shí),會看到類似這樣的輸出(具體地址會因系統(tǒng)而異):

-------- 不同內(nèi)存區(qū)域的參考地址 --------
棧變量 的地址: 0x7ffd25fc7840
堆變量 的地址: 0x55a4924c72b0
全局變量 的地址: 0x55a468a81160
-------- 不同vector對象的位置 --------
棧上的vector對象 的地址: 0x7ffd25fc7860
堆上的vector對象 的地址: 0x55a4924c76e0
靜態(tài)vector對象 的地址: 0x55a468a81180
棧上類對象的vector成員 的地址: 0x7ffd25fc7880
堆上類對象的vector成員 的地址: 0x55a4924c7700
-------- vector元素的位置 --------
棧上vector的元素 的地址: 0x55a4924c7750
堆上vector的元素 的地址: 0x55a4924c7770
靜態(tài)vector的元素 的地址: 0x55a4924c7790
全局vector的元素 的地址: 0x55a4924c77b0
棧上類對象vector成員的元素 的地址: 0x55a4924c77d0
堆上類對象vector成員的元素 的地址: 0x55a4924c77f0

從這個(gè)輸出可以清晰地看出:

  • 棧變量的地址最高(0x7ffd開頭),包括棧上的 vector 對象和棧上類對象的 vector 成員
  • 堆變量的地址較低(0x55a49開頭),包括堆上的 vector 對象和堆上類對象的 vector 成員
  • 全局/靜態(tài)變量的地址也較低(0x55a46開頭)
  • 無論 vector 對象在哪里(棧/堆/全局區(qū)/類成員),它們的元素都在堆上(地址相近且都是0x55a49開頭)

特別注意:類成員中的 vector 對象確實(shí)跟隨類對象走,棧上的類對象中的 vector 成員在棧上,堆上的類對象中的 vector 成員在堆上

這個(gè)實(shí)驗(yàn)直觀地證明了我們前面講的所有內(nèi)容:vector對象可以在不同的內(nèi)存區(qū)域,但它們的元素幾乎總是在堆上!

六、面試答題技巧

當(dāng)面試官問"C++ vector對象是在堆上還是棧上"時(shí),你可以這樣回答:

(1) 先說明這個(gè)問題需要分兩部分討論:vector對象本身和 vector 中的元素

(2) vector對象可以在棧上、堆上或全局?jǐn)?shù)據(jù)區(qū),取決于如何聲明它:

  • 普通局部變量:棧上
  • new創(chuàng)建的:堆上
  • 全局/靜態(tài)變量:全局?jǐn)?shù)據(jù)區(qū)
  • 類成員:跟隨類對象

(3) 但 vector 中的元素幾乎總是在堆上,因?yàn)?vector 需要動態(tài)管理內(nèi)存

(4) 提一下小型 vector 優(yōu)化的可能性(加分項(xiàng))

(5) 最后舉個(gè)簡單例子說明

這樣全面而有條理的回答,面試官肯定對你刮目相看!

七、總結(jié)一下

(1) vector對象在哪里取決于你怎么聲明它:

  • 局部變量聲明:棧上
  • 用new創(chuàng)建:堆上
  • 全局/靜態(tài)聲明:全局?jǐn)?shù)據(jù)區(qū)
  • 作為類成員:跟隨類對象

(2) vector元素幾乎總是在堆上,因?yàn)樾枰獎討B(tài)擴(kuò)容

  • 特例:小型 vector 優(yōu)化可能讓很少的元素存在棧上

搞清楚這些,下次面試遇到這個(gè)問題,絕對能讓面試官眼前一亮!

好了,今天的內(nèi)容就是這些,希望對你有幫助!

PS: 掌握這個(gè)知識點(diǎn)不僅能應(yīng)付面試,在實(shí)際編程中也很有用。明白了 vector 的內(nèi)存模型,你就能更好地控制程序的內(nèi)存使用和性能,避免不必要的內(nèi)存泄漏和復(fù)制開銷。

責(zé)任編輯:趙寧寧 來源: 跟著小康學(xué)編程
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