为何std::vector内部对象的地址会发生变化？

测试代码 #

// Example program
#include <iostream>
#include <string>
#include <vector>
struct Foo {
    int value = 0;
};

int main()
{
  std::vector<Foo> objs;
  for (int idx = 0; idx < 5; idx++) {
      objs.push_back(Foo{.value = idx});
      std::cout << "address: " << &(objs.back()) << "\n";
  }
  
  std::cout << "=======\n";
  for (const auto& obj: objs) {
      std::cout << "address: " << &(obj)<< "\n";
  }
}

问题描述 #

原本以为前后两次循环打印的对象地址应该完全一致，但实际运行后发现并非如此（第一次循环的地址会出现跳跃，第二次循环的地址是连续且稳定的）。该如何理解这种现象？是否是std::vector类在内部对对象进行了移动/重定位？

解答 #

这完全是std::vector的扩容机制导致的，核心原因在于它的底层实现是连续内存数组：

• 当调用push_back添加元素时，如果当前vector的容量（capacity()）不足以容纳新元素，会自动触发扩容：分配一块更大的新内存空间，把原内存里的所有对象拷贝/移动到新内存，然后释放旧内存。
• 第一次循环中，每次push_back后立刻打印back()的地址，而每次扩容都会让之前的所有对象迁移到新地址，所以前几次打印的是旧内存地址，后续扩容后新元素的地址在新内存中，导致地址不连续；第二次循环是在所有元素添加完成后执行的，此时vector的容量已经足够，所有对象稳定存放在最终的连续内存块中，所以打印的地址连续且一致。
• 可以在循环中加入std::cout << "capacity: " << objs.capacity() << "\n";，直观看到每次扩容时容量的变化，对应地址的跳转。
• 如果想要避免这种地址变化，只需在添加元素前调用objs.reserve(5);预分配足够的容量，push_back过程中就不会触发扩容，前后两次打印的地址会完全一致。

内容的提问来源于stack exchange，提问作者firstprayer