探索push_back的奥秘

小蓝 • 2025-01-01 11:04 • 编程

一、push_back的基本概念

在C++ STL中，push_back是vector类中的一个通用成员函数，用于在向量的末尾插入一个新元素。

    vector vec = {1, 2, 3};
    vec.push_back(4);
    //【输出结果】vec中的元素为1，2，3，4

可以看到，push_back函数的调用使用起来非常方便，只需要指明想要插入的元素即可。由于在向量的末尾插入元素是一种非常常见的场景，因此push_back也是vector类中最经常使用的函数之一。

二、对push_back的参数类型的限制

由于push_back的参数类型并没有明确指定，因此在使用时需要注意一些细节。首先，push_back的参数必须是与vector声明时指定的类型相同，否则会导致编译错误：

    vector vec = {1, 2, 3};
    vec.push_back("4");  //【编译错误】无法从const char *转换为int

同时，如果在声明vector时使用了模板特化，参数类型也需要保证与模板特化的类型相同，否则同样会引发编译错误：

    vector<pair> vec = {{1, 2}, {3, 4}};
    vec.push_back(make_pair(5, "6"));  //【编译错误】无法从const char *转换为int

三、push_back引起的内存重新分配

如果推入的元素数量达到了vector已经分配的内存容量，那么push_back会引起内存重新分配。当要插入的元素个数大于当前容器的容量时，STL会自动分配一段更大的内存来存储新元素，然后将旧元素拷贝到新内存中，释放旧内存。显然，这一过程会导致时间和空间的浪费，因此需要在需要频繁推入元素的情况下，谨慎地指定vector的初始容量，以避免频繁的内存重新分配。

    vector vec;
    cout << "capacity:" << vec.capacity() << endl;  //【输出结果】capacity:0
    for (int i = 0; i < 10; i++) {
        vec.push_back(i);
        cout << "element:" << vec[i] << ", capacity:" << vec.capacity() << endl;
    }
    // 【输出结果】
    // element:0, capacity:1
    // element:1, capacity:2
    // element:2, capacity:4
    // element:3, capacity:4
    // element:4, capacity:8
    // element:5, capacity:8
    // element:6, capacity:8
    // element:7, capacity:8
    // element:8, capacity:16
    // element:9, capacity:16

四、使用push_back来优化程序效率的技巧

（1）使用reserve指定容器初始大小

前面提到，频繁地插入元素会导致内存重新分配，因此在已知将要使用多少元素时，可以使用reserve函数来预先分配一定的内存以避免这种情况的发生。这个技巧在实际工程中效果十分明显，能大幅度减少程序的运行时间。

    vector vec;
    vec.reserve(100);  // 提前分配100个int类型的内存空间
    for (int i = 0; i < 100; i++) {
        vec.push_back(i);
    }

（2）使用emplace_back避免拷贝构造函数调用

push_back在将参数插入容器中时，需要调用对象的拷贝构造函数将对象复制一份，然后再将这份复制插入容器中。这个过程在对象的属性较少时可能不会产生太大的开销，但对于大型对象而言，这个过程将会十分耗时。

为了避免对象的大量复制，C++11引入了一个新的容器函数emplace_back。与push_back不同的是，emplace_back可以直接在容器中构造新的对象，而不是需要先构造一份副本，所以emplace_back更加高效。

    vector<pair> vec;
    vec.emplace_back(1, 2);
    vec.emplace_back(3, 4);
    vec.emplace_back(5, 6);
    // 【等价于】
    vec.push_back(make_pair(1, 2));
    vec.push_back(make_pair(3, 4));
    vec.push_back(make_pair(5, 6));

（3）使用insert来在特定位置插入元素

虽然push_back函数在向量的末尾插入元素时非常方便，但在其他位置插入元素时就显得有些慢了。这时可以使用vector类的insert函数，将元素插入到特定的位置中。与push_back类似，参数可以是任意类型的元素。

    vector vec = {1, 2, 3, 4};
    vec.insert(vec.begin() + 2, 10);
    // 【输出结果】vec中的元素为1，2，10，3，4

结语

通过对push_back的基本概念、参数类型限制、内存重新分配以及优化程序效率的技巧做了较为详细的阐述。在实际应用中，不仅要了解函数的基本使用方法，更要善于利用函数提供的一些特性来提高程序的效率。希望本文的讲解能够对大家有所帮助。

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