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c++ - 使用 vector 类实现堆栈的链表与动态数组

coder 2024-01-31 原文

我正在阅读实现堆栈的两种不同方法:链表和动态数组。链表相对于动态数组的主要优点是链表不必调整大小，而如果插入的元素过多，则必须调整动态数组的大小，从而浪费大量时间和内存。

这让我想知道这是否适用于 C++(因为有一个 vector 类，它会在插入新元素时自动调整大小)？

最佳答案

很难比较两者，因为它们的内存使用模式完全不同。

vector 调整大小

vector 根据需要动态调整自身大小。它通过分配一个新的内存块，将数据从旧块移动(或复制)到新块，释放旧块来实现。在典型的情况下，新块的大小是旧块的 1.5 倍(与流行的看法相反，2 倍在实践中似乎很不寻常)。这意味着在重新分配的短时间内，它需要的内存大约是您实际存储的数据的 2.5 倍。其余时间，正在使用的“块”最少为 2/3 满，最多为完全满。如果所有尺寸的可能性均等，我们可以预期它的平均填充量约为 5/6。从另一个方向看，我们可以预期在任何给定时间大约有 1/6 或大约 17% 的空间被“浪费”。

当我们按照这样的常数因子调整大小时(而不是，例如，总是添加特定大小的块，例如以 4Kb 的增量增长)，我们得到了所谓的摊销常数时间添加。换句话说，随着数组的增长，调整大小的频率呈指数下降。数组中项目被复制的平均次数趋于恒定(通常约为 3，但取决于您使用的增长因子)。

链表分配

使用链表，情况就大不相同了。我们从未看到调整大小，因此我们看不到某些插入的额外时间或内存使用。与此同时，我们确实看到额外的时间和内存基本上一直在使用。特别是，链表中的每个节点都需要包含一个指向下一个节点的指针。根据节点中数据的大小与指针的大小相比，这可能会导致显着的开销。例如，假设您需要一堆 int s。在 int 的典型情况下与指针的大小相同，这意味着 50% 的开销——一直都是。指针大于 int 的情况越来越普遍;两倍的大小相当常见(64 位指针，32 位 int)。在这种情况下，您有大约 67% 的开销——也就是说，很明显，每个节点为指针分配的空间是存储数据的两倍。

不幸的是，这通常只是冰山一角。在典型的链表中，每个节点都是单独动态分配的。至少如果您要存储小数据项(例如 int )，为节点分配的内存可能(通常会)甚至大于您实际请求的数量。所以——你要求 12 字节的内存来保存一个 int 和一个指针——但是你得到的内存块很可能会被四舍五入到 16 或 32 字节。现在您看到的开销至少为 75%，很可能约为 88%。

就速度而言，情况相当相似:动态分配和释放内存通常很慢。堆管理器通常具有空闲内存块，并且必须花时间搜索它们以找到最适合您要求的大小的块。然后它(通常)必须将该块分成两部分，一个用于满足您的分配，另一个用于满足其他分配。同样，当您释放内存时，它通常会返回到相同的空闲块列表并检查是否有相邻的内存块已经空闲，因此它可以将两者重新连接在一起。

分配和管理大量内存块的成本很高。

缓存使用

最后，对于最近的处理器，我们遇到了另一个重要因素:缓存使用。在 vector 的情况下，我们拥有彼此相邻的所有数据。然后，在使用的 vector 部分结束后，我们有一些空内存。这导致了出色的缓存使用——我们使用的数据被缓存；我们没有使用的数据对缓存几乎没有影响。

使用链表，指针(以及每个节点中可能的开销)分布在整个链表中。即，我们关心的每条数据旁边都有指针的开销，以及分配给我们未使用的节点的空白空间。简而言之，缓存的有效大小减少了与列表中每个节点的总体开销大致相同的因素——即，我们可能很容易看到只有 1/8 的缓存存储了我们关心的日期，而 7/8ths 专门用于存储指针和/或纯垃圾。

摘要

当您的节点数量相对较少时，链表可以很好地工作，每个节点都非常大。如果(对于堆栈来说更典型)您正在处理相对大量的项目，每个项目都非常小，那么您不太可能看到时间或内​​存使用量的节省。恰恰相反，对于这种情况，链表更有可能基本上浪费大量时间和内存。

关于c++ - 使用 vector 类实现堆栈的链表与动态数组，我们在Stack Overflow上找到一个类似的问题： https://stackoverflow.com/questions/13822880/

ampvector的brstrongc++arrayslinked-liststackdynamic-arrays

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