探索push_back的奧秘

一、push_back的基本概念

在C++ STL中，push_back是vector類中的一個通用成員函數，用於在向量的末尾插入一個新元素。

    vector vec = {1, 2, 3};
    vec.push_back(4);
    //【輸出結果】vec中的元素為1，2，3，4

可以看到，push_back函數的調用使用起來非常方便，只需要指明想要插入的元素即可。由於在向量的末尾插入元素是一種非常常見的場景，因此push_back也是vector類中最經常使用的函數之一。

二、對push_back的參數類型的限制

由於push_back的參數類型並沒有明確指定，因此在使用時需要注意一些細節。首先，push_back的參數必須是與vector聲明時指定的類型相同，否則會導致編譯錯誤：

    vector vec = {1, 2, 3};
    vec.push_back("4");  //【編譯錯誤】無法從const char *轉換為int

同時，如果在聲明vector時使用了模板特化，參數類型也需要保證與模板特化的類型相同，否則同樣會引發編譯錯誤：

    vector<pair> vec = {{1, 2}, {3, 4}};
    vec.push_back(make_pair(5, "6"));  //【編譯錯誤】無法從const char *轉換為int

三、push_back引起的內存重新分配

如果推入的元素數量達到了vector已經分配的內存容量，那麼push_back會引起內存重新分配。當要插入的元素個數大於當前容器的容量時，STL會自動分配一段更大的內存來存儲新元素，然後將舊元素拷貝到新內存中，釋放舊內存。顯然，這一過程會導致時間和空間的浪費，因此需要在需要頻繁推入元素的情況下，謹慎地指定vector的初始容量，以避免頻繁的內存重新分配。

    vector vec;
    cout << "capacity:" << vec.capacity() << endl;  //【輸出結果】capacity:0
    for (int i = 0; i < 10; i++) {
        vec.push_back(i);
        cout << "element:" << vec[i] << ", capacity:" << vec.capacity() << endl;
    }
    // 【輸出結果】
    // 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來優化程序效率的技巧

（1）使用reserve指定容器初始大小

前面提到，頻繁地插入元素會導致內存重新分配，因此在已知將要使用多少元素時，可以使用reserve函數來預先分配一定的內存以避免這種情況的發生。這個技巧在實際工程中效果十分明顯，能大幅度減少程序的運行時間。

    vector vec;
    vec.reserve(100);  // 提前分配100個int類型的內存空間
    for (int i = 0; i < 100; i++) {
        vec.push_back(i);
    }

（2）使用emplace_back避免拷貝構造函數調用

push_back在將參數插入容器中時，需要調用對象的拷貝構造函數將對象複製一份，然後再將這份複製插入容器中。這個過程在對象的屬性較少時可能不會產生太大的開銷，但對於大型對象而言，這個過程將會十分耗時。

為了避免對象的大量複製，C++11引入了一個新的容器函數emplace_back。與push_back不同的是，emplace_back可以直接在容器中構造新的對象，而不是需要先構造一份副本，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);
    // 【等價於】
    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來在特定位置插入元素

雖然push_back函數在向量的末尾插入元素時非常方便，但在其他位置插入元素時就顯得有些慢了。這時可以使用vector類的insert函數，將元素插入到特定的位置中。與push_back類似，參數可以是任意類型的元素。

    vector vec = {1, 2, 3, 4};
    vec.insert(vec.begin() + 2, 10);
    // 【輸出結果】vec中的元素為1，2，10，3，4

結語

通過對push_back的基本概念、參數類型限制、內存重新分配以及優化程序效率的技巧做了較為詳細的闡述。在實際應用中，不僅要了解函數的基本使用方法，更要善於利用函數提供的一些特性來提高程序的效率。希望本文的講解能夠對大家有所幫助。