STL 容器（如 std::vector, std::list, std::map, std::set 等）的内存分配情况

STL 容器（如 std::vector, std::list, std::map, std::set 等）的内存分配情况取决于容器的设计。总体上，容器中的元数据部分位于栈上，而存储的元素通常在堆上动态分配。

STL 容器的内存分配结构

1. 元数据部分：

   • 容器本身是一个对象，存储在栈上或其创建位置的内存区域（如全局区或堆区）。
   • 例如，std::vector 本身是一个对象，管理堆内存中实际存储元素的区域。

   示例：

   std::vector<int> vec; // `vec` 是一个栈对象，存储容器元信息。
   

2. 数据部分（存储的元素）：

   • 容器中的元素通常存储在堆上，特别是动态大小的容器（如 std::vector, std::list）。
   • 当容器需要存储的元素增加或减少时，底层会动态分配或释放堆内存。

   示例：

   vec.push_back(10); // `10` 被存储在堆内存中。
   

具体容器的内存分配情况

以下是常见 STL 容器的内存分配方式：

1. std::vector

• std::vector 的元数据（如指向数据的指针、大小信息）存储在栈上。
• 实际存储元素的内存是在堆上动态分配的。

示例：

std::vector<int> vec; // 栈上创建元数据
vec.push_back(1);     // 元素存储在堆上

2. std::list 和 std::deque

• 元数据部分（如头指针、尾指针）位于栈上。
• 元素和节点存储在堆上，std::list 中每个节点是一个动态分配的块。

3. std::map 和 std::set

• 元数据部分（如根节点指针）在栈上。
• 存储元素的节点（通常是红黑树节点）动态分配在堆上。

4. std::array

• std::array 是一个静态大小的容器，所有数据存储在栈上。
• 它更类似于 C 风格的数组。

示例：

std::array<int, 5> arr; // 所有数据都在栈上

内存分配示例

以下代码展示了栈和堆的分配差异：

#include <iostream>
#include <vector>
#include <array>

int main() {
    // 栈上创建一个 std::array
    std::array<int, 3> arr = {1, 2, 3}; // 元数据和元素都在栈上

    // 栈上创建一个 std::vector
    std::vector<int> vec; // 元数据在栈上，数据指针指向堆内存
    vec.push_back(10);    // 元素存储在堆上

    std::cout << "Address of array: " << &arr << std::endl;
    std::cout << "Address of vector: " << &vec << std::endl;
    std::cout << "Address of vector elements: " << &vec[0] << std::endl;

    return 0;
}

输出示例：

Address of array: 0x7ffceb4dc8a0   // 栈上的地址
Address of vector: 0x7ffceb4dc8b0  // 栈上的地址
Address of vector elements: 0x558df2a4d020 // 堆上的地址

总结

• 栈上：

  • 容器的元数据，如大小、容量、指向实际数据的指针。
  • 静态大小的容器（如 std::array）的所有数据。

• 堆上：

  • 容器实际存储的动态数据部分（如 std::vector, std::list 的元素）。
  • 特殊数据结构（如 std::map 的红黑树节点）。

通过设计 STL 容器将动态数据放在堆上，它们能够灵活适应不同的内存需求，同时栈上的元数据部分保证了快速访问和轻量级操作。