C++ 向量容器 capacity 與 size 差異詳解

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核心概念

成員函式	含義	典型值變化
`size()`	當前實際持有的元素個數	`push_back` +1，`pop_back` -1，`resize` 直接設定
`capacity()`	不重新配置記憶體可容納的元素上限	指數增長（通常 2倍），`reserve` 手動擴充，`shrink_to_fit` 釋放多餘

記憶體佈局圖解

vector v;
v.push_back(10);  // size=1, capacity=1
v.push_back(20);  // size=2, capacity=2
v.push_back(30);  // size=3, capacity=4 (擴容)
v.push_back(40);  // size=4, capacity=4
v.push_back(50);  // size=5, capacity=8 (擴容)

/* 記憶體圖示：
[10][20][30][40][50][__][__][__]
 ↑                ↑           ↑
 begin()       end()     end_of_storage()
 size()=5                capacity()=8
*/

關鍵行為差異

擴容策略：capacity 通常按 2 倍增長（實現細節相關），確保 push_back 攤還 O(1)。
迭代器失效：capacity 變化（重新配置）會導致所有迭代器、指標、引用失效；size 變化（不重新配置）不會。
reserve(n)：預先配置至少 n 個元素空間，**不改變 size**，避免頻繁擴容。
shrink_to_fit() (C++11)：請求釋放多餘容量，**非強制**，實現可忽略。
clear()：size=0，**保留 capacity**。

效能實戰建議

// 已知大約元素數量：預先 reserve
vector vec;
vec.reserve(10000); // 避免 14 次擴容 (1→2→4→8...→16384)

/* 未 reserve 時擴容次數 log2(10000) ≈ 14
   reserve 後：0 次擴容，效能顯著提升 */

常見誤區

❌ capacity() == size() 才正常 → ✅ 通常 capacity >= size，預留空間是常態。
❌ reserve 後可直接用 operator[] 寫入 → ✅ 仍需 push_back/resize 增加 size。
❌ shrink_to_fit 保證釋放記憶體 → ✅ 標準僅「請求」，實現可拒絕。

原始碼層面（libstdc++ 簡化）

template <typename T, typename Alloc>
class vector {
    T* _M_start;      // 元素起始
    T* _M_finish;     // 已構造元素末尾 (size)
    T* _M_end_of_storage; // 配置空間末尾 (capacity)

public:
    size_type size() const { return _M_finish - _M_start; }
    size_type capacity() const { return _M_end_of_storage - _M_start; }
    // ...
};

理解 size 與 capacity 的分離設計，是寫出高效能 C++ 程式碼、避免迭代器失效 Bug 的關鍵。