QList::capacity()

もう少し詳しく説明します。

QListは、要素が追加されるたびにその都度メモリを確保するのではなく、効率のためにある程度の「余裕」を持ってメモリを確保します。これは、要素が一つ追加されるたびにメモリの再割り当て（再確保）が行われると、パフォーマンスが低下する可能性があるためです。

例えば、QListに要素をどんどん追加していくと、ある時点でメモリの確保量が足りなくなり、QListは自動的により大きなメモリ領域を確保し直し、既存の要素を新しい場所にコピーするという処理を行います。この再割り当てはコストのかかる操作です。

QList::capacity()が返すのは、この現在確保されているメモリ領域に格納できる要素の最大数です。これは、実際にQListに格納されている要素の数（QList::size()が返す値）とは異なる場合があります。capacity()の値は常にsize()の値以上になります。

なぜcapacity()を知る必要があるのか？

• メモリ使用量の把握
  QListがどれくらいのメモリを消費しているかを大まかに把握するのに役立ちます。
• パフォーマンスの最適化
  QListに大量の要素を追加することが事前にわかっている場合、reserve()関数を使ってあらかじめ十分なメモリを確保しておくことで、不必要な再割り当てを防ぎ、パフォーマンスを向上させることができます。capacity()は、reserve()を呼び出す前に現在のキャパシティを確認するために使用できます。

#include <QList>
#include <QDebug>

int main() {
    QList<int> myList;

    qDebug() << "初期状態: size =" << myList.size() << ", capacity =" << myList.capacity();

    for (int i = 0; i < 5; ++i) {
        myList.append(i);
        qDebug() << "要素追加後: size =" << myList.size() << ", capacity =" << myList.capacity();
    }

    myList.reserve(20); // 20個分のメモリを確保
    qDebug() << "reserve(20)後: size =" << myList.size() << ", capacity =" << myList.capacity();

    return 0;
}

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メモリ不足 (std::bad_alloc)

エラーの状況
QListに大量の要素を追加しようとした際に、std::bad_alloc例外が発生したり、アプリケーションがクラッシュしたりする場合があります。これは、QListが新しい要素のためにメモリを確保しようとしたときに、システムに十分なメモリがない場合に起こります。

capacity()との関連
QListは要素が追加されるたびに、必要に応じて内部バッファの容量を増やします。この際、新しいより大きなメモリブロックを確保し、既存の要素をコピーするという処理が行われます。もし、この新しいメモリブロックを確保しようとしたときに、システムがメモリを提供できない場合、std::bad_allocが発生します。

トラブルシューティング

• ヒープの断片化
  長時間アプリケーションを実行し、QListへの追加/削除を繰り返すと、ヒープメモリが断片化し、大きな連続したメモリブロックを確保できなくなることがあります。これはシステム全体の問題であり、Qtのコンテナだけでなく、一般的なC++プログラミングでも考慮すべき点です。
• より適切なコンテナの選択
  
  • 要素数が非常に多い場合
    QListは要素がポインタよりも大きい場合、各要素をヒープに個別に確保し、そのポインタを内部配列に格納する場合があります（Qt 5以前の挙動。Qt 6ではQVectorに近い実装に統一されました）。これにより、多数の小さなヒープアロケーションが発生し、メモリの断片化やオーバーヘッドが増加する可能性があります。
  • 要素が連続したメモリに欲しい場合
    QVectorは常に要素を連続したメモリ領域に配置するため、キャッシュ効率が良く、大量のデータ処理に適している場合があります。
  • 挿入/削除が頻繁な場合
    リストの途中への挿入/削除が頻繁に行われる場合、QLinkedListの方が効率的であることがあります。
• reserve()の利用
  大量の要素を追加することが分かっている場合は、事前にQList::reserve(int size)を呼び出して、必要なメモリを一度に確保しておくことで、頻繁な再割り当てとそれによるメモリ不足のリスクを減らすことができます。

  QList<MyObject> list;
  list.reserve(100000); // 10万個分のメモリを事前に確保
  for (int i = 0; i < 100000; ++i) {
      list.append(MyObject());
  }
  

• メモリ使用量の監視
  タスクマネージャーやシステムモニターなどでアプリケーションのメモリ使用量を監視し、急激な増加がないか確認します。

不必要な再割り当てによるパフォーマンス低下

エラーの状況
アプリケーションの実行速度が遅い、またはUIが一時的にフリーズするなど、パフォーマンスの問題が発生する場合があります。QListに要素を少しずつ大量に追加している場合によく見られます。

capacity()との関連
QListは要素を追加するたびに、内部的に確保しているcapacity()が足りなくなった場合、自動的にcapacity()を増やします。この「再割り当て（reallocation）」の際には、既存のすべての要素が新しいメモリ領域にコピーされるため、要素数が多いほどコストが高くなります。capacity()が頻繁に増加している場合、この再割り当てがパフォーマンスのボトルネックになっている可能性があります。

トラブルシューティング

• コンテナの選択の見直し
  
  • 初期化時に要素数が確定している場合
    QVectorは初期化時にサイズを指定できるため、最初から必要なメモリを確保できます。
  • 大量の要素を追加するパターン
    要素の追加がバッチ処理で行われる場合など、一度に大量の要素を追加する際は、reserve()が特に有効です。
• プロファイリング
  Qt CreatorのプロファイラーやQElapsedTimerなどを使用して、QListへの要素追加処理にかかる時間を計測します。もし、特定の追加処理で時間がかかっている場合、再割り当てが発生している可能性があります。
• reserve()の積極的な利用
  前述の通り、事前にreserve()を呼び出して十分なcapacityを確保しておくことで、不必要な再割り当てを避けることができます。これにより、要素の追加が大幅に高速化されます。

エラーの状況
QListを関数に渡したり、別のQListに代入したりした際に、予期せぬパフォーマンス低下や、データの変更が意図しない場所に影響するなどの問題が発生する場合があります。

capacity()との関連
QListは**暗黙的な共有（Implicit Sharing）**というメカニズムを持っています。これは、QListをコピーしても、最初は同じ内部データを共有し、実際に書き込みが発生するまでデータのコピー（deep copy）を遅延させるものです。このとき、capacity()は共有されている内部データの容量を指します。

しかし、この暗黙的な共有が解除されるタイミング（"detach"または"deep copy"）は、append()、insert()、removeAt()などの非const操作を行った場合です。このdetachingが発生すると、内部データの完全なコピーが行われ、これがコストの高い操作になることがあります。

トラブルシューティング

• コピーの明示的な制御
  必要に応じてQList::operator=(const QList<T>& other)やQList::toList()などを利用して、コピーのタイミングを意識的に制御します。
• Qt 6での変更
  Qt 6では、QListとQVectorの内部実装が統一され、QListもQVectorのように要素を直接メモリに格納するようになりました（ポインタよりも大きい型の場合も）。これにより、Qt 5以前のような「ポインタの配列」としてのQListの挙動によるオーバーヘッドは少なくなりましたが、依然として暗黙的な共有の概念は存在し、detachingはパフォーマンスに影響を与えます。
  • Qt 6以降では、QVectorは単にQListのエイリアスとなっています。
• 値渡しと戻り値
  QListを値で渡したり、関数からQListを値で返したりする場合、コピーが発生する可能性を認識しておく必要があります。
• const参照渡し
  QListを関数に渡す際、変更を加えないのであればconst QList<T>&として渡すことで、暗黙的な共有が解除されるのを防ぎ、不必要なコピーを避けることができます。

QList::capacity()自体が直接エラーを発生させることは稀ですが、その値はQListのメモリ管理とパフォーマンスを理解する上で非常に重要です。

• コピーセマンティクスの理解
  QListの暗黙的な共有とdetachingの挙動を理解し、不要なdeep copyを避けるためにconst参照渡しを積極的に利用します。
• コンテナの選択
  要件（要素数、挿入/削除の頻度、メモリの連続性など）に基づいて、QList、QVector、QLinkedListの中から最適なコンテナを選択します。特にQt 6ではQListとQVectorの挙動がより近くなっています。
• メモリ使用量の意識
  QListが消費するメモリ量を意識し、std::bad_allocが発生しないように注意します。
• reserve()の活用
  大量の要素を追加する際は、reserve()を使って事前に十分なメモリを確保し、頻繁な再割り当てを避けることが最も一般的なパフォーマンス改善策です。

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例1: capacity()とsize()の基本的な関係

この例では、QListに要素を追加していく過程で、size()とcapacity()がどのように変化するかを示します。QListが内部的にメモリを再確保するタイミングに注目してください。

#include <QList>
#include <QDebug>

int main() {
    QList<int> myList;

    qDebug() << "--- 初期状態 ---";
    qDebug() << "Size:" << myList.size();       // 現在格納されている要素数 (0)
    qDebug() << "Capacity:" << myList.capacity(); // 現在確保されているメモリの余裕 (通常は0または小さい値)

    qDebug() << "\n--- 要素の追加 ---";
    for (int i = 0; i < 10; ++i) {
        myList.append(i); // 要素を追加
        qDebug() << QString("追加 %1: Size = %2, Capacity = %3")
                        .arg(i).arg(myList.size()).arg(myList.capacity());
        // capacity()がsize()よりも大きく、かつsize()がcapacity()に近づくと、
        // capacity()が大きくジャンプする（再確保が行われる）のが観察できるはずです。
    }

    qDebug() << "\n--- 最終状態 ---";
    qDebug() << "Size:" << myList.size();
    qDebug() << "Capacity:" << myList.capacity();

    // QList<int> は通常、内部的にポインタではなく、int値を直接格納します。
    // そのため、capacity()は要素数として意味を持ちます。
    return 0;
}

解説

• しかし、size()がcapacity()に達しようとすると、QListはより大きなメモリブロックを内部的に再確保し、capacity()が大きく増加します。これは、既存の要素を新しい場所へコピーするオーバーヘッドを伴います。
• capacity()は、最初はsize()と近いか、少し大きい値です。
• QListにappend()で要素を追加していくと、size()は1ずつ増えていきます。

例2: reserve()を使ったパフォーマンス最適化

この例では、reserve()関数を使って事前にQListのcapacity()を確保することで、大量の要素を追加する際のパフォーマンスを改善する方法を示します。QElapsedTimerを使って処理時間を計測します。

#include <QList>
#include <QDebug>
#include <QElapsedTimer> // 処理時間を計測するためのクラス

int main() {
    const int NUM_ELEMENTS = 100000; // 10万個の要素

    // --- Case 1: reserve() を使わない場合 ---
    QList<int> listWithoutReserve;
    QElapsedTimer timer1;
    timer1.start();

    for (int i = 0; i < NUM_ELEMENTS; ++i) {
        listWithoutReserve.append(i);
    }
    qDebug() << "--- reserve() を使わない場合 ---";
    qDebug() << QString("要素数 %1 の追加時間: %2 ms")
                    .arg(NUM_ELEMENTS).arg(timer1.elapsed());
    qDebug() << "最終 Capacity:" << listWithoutReserve.capacity();
    qDebug() << "最終 Size:" << listWithoutReserve.size();


    // --- Case 2: reserve() を使う場合 ---
    QList<int> listWithReserve;
    listWithReserve.reserve(NUM_ELEMENTS); // 事前に必要なメモリを確保
    QElapsedTimer timer2;
    timer2.start();

    for (int i = 0; i < NUM_ELEMENTS; ++i) {
        listWithReserve.append(i);
    }
    qDebug() << "\n--- reserve() を使う場合 ---";
    qDebug() << QString("要素数 %1 の追加時間: %2 ms")
                    .arg(NUM_ELEMENTS).arg(timer2.elapsed());
    qDebug() << "最終 Capacity:" << listWithReserve.capacity();
    qDebug() << "最終 Size:" << listWithReserve.size();

    // 環境にもよりますが、通常は reserve() を使った方が高速であることが観察できます。
    return 0;
}

解説

• 出力を見ると、reserve()を使用した方が、append()処理にかかる時間が大幅に短縮されていることがわかります。
• Case 2では、事前にreserve(NUM_ELEMENTS)を呼び出すことで、必要なメモリを一度に確保します。これにより、ループ内での再割り当てがほとんど発生せず、要素の追加が大幅に高速化されます。
• Case 1では、reserve()を呼び出さずにappend()を繰り返します。この場合、QListは内部的に何度もメモリの再確保（再割り当て）と要素のコピーを行い、そのオーバーヘッドがパフォーマンスに影響します。
• NUM_ELEMENTS個の要素をQListに追加する処理を2つのケースで比較しています。

squeeze()関数は、QListのcapacity()を、現在実際に使用しているsize()まで縮小しようと試みます。これにより、不要なメモリの占有を防ぐことができます。

#include <QList>
#include <QDebug>

int main() {
    QList<QString> myList;

    // ある程度の要素を追加
    for (int i = 0; i < 10; ++i) {
        myList.append(QString("Item %1").arg(i));
    }
    qDebug() << "--- 初期状態 (10要素追加後) ---";
    qDebug() << "Size:" << myList.size();
    qDebug() << "Capacity:" << myList.capacity();

    // いくつかの要素を削除
    for (int i = 0; i < 5; ++i) {
        myList.removeAt(0); // 先頭から5つの要素を削除
    }
    qDebug() << "\n--- 5要素削除後 ---";
    qDebug() << "Size:" << myList.size();     // 5になっているはず
    qDebug() << "Capacity:" << myList.capacity(); // 削除してもcapacityはすぐに減らない

    // squeeze() を呼び出して、capacityを現在のsizeに合わせることを試みる
    myList.squeeze();
    qDebug() << "\n--- squeeze() 呼び出し後 ---";
    qDebug() << "Size:" << myList.size();
    qDebug() << "Capacity:" << myList.capacity(); // size()に近づいているはず

    return 0;
}

• squeeze()を呼び出すと、QListは現在のsize()に合わせてcapacity()を縮小しようと試みます。これにより、不要なメモリの消費を抑えることができます。ただし、squeeze()は必ずしもcapacity()をsize()と完全に一致させるとは限りません。実装の詳細や特定の条件によっては、わずかに大きいままになることもあります。
• 次に5つの要素を削除しても、size()は減りますが、capacity()はすぐには減少しません。これは、将来の追加に備えてメモリを保持しているためです。
• 初期状態で10個の要素を追加した後、capacity()はsize()よりも大きい値になっているはずです。

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QVectorの使用 (Qt 5以降、特にQt 6で重要)

これはQList::capacity()の直接的な代替というよりは、QListの代替として最も重要な選択肢です。

• いつ使用するか
  
  • 要素へのランダムアクセス（operator[]）が頻繁に行われる場合。
  • 要素が連続したメモリに配置されていることが重要な場合（例: シリアライズ、C APIとの連携）。
  • 要素の追加/削除が主にリストの末尾で行われる場合。
  • 基本的に、Qt 6以降では、特別な理由がない限りQListの代わりにQVector（またはエイリアスとしてのQList）を使用することが推奨されます。
• capacity()との関連
  QVectorもcapacity()を持ち、QListと同様にreserve()やsqueeze()が利用できます。QVectorは常に連続したメモリブロックを保証するため、キャッシュ効率が良く、大量のデータ処理や要素へのインデックスアクセスにおいて高いパフォーマンスを発揮します。
• 詳細
  Qt 5以降、QListとQVectorの内部実装はより類似してきています。特にQt 6では、QListはQVectorの単なるエイリアスになりました。これは、Qt 5以前のQListが内部的に要素のポインタを格納していたのに対し、Qt 6のQList（およびQVector）は要素を連続したメモリブロックに直接格納するようになったことを意味します。

QLinkedListの使用

• デメリット
  
  • 要素へのインデックスアクセス（operator[]）は非常に遅い（O(n)）。
  • メモリのオーバーヘッドが大きい（各要素にポインタ分の追加メモリが必要）。
  • キャッシュ効率が悪い（要素が連続していないため）。
• いつ使用するか
  
  • リストの途中への要素の挿入や削除が非常に頻繁に行われる場合。これはQVectorやQListでは高コストな操作です（後続の要素のシフトが必要なため）。
  • 要素の数が多いが、ランダムアクセスはほとんど行われず、順次アクセスが主である場合。
• capacity()との関連
  QLinkedListは連続したメモリを確保しないため、capacity()という概念を持ちません。要素が追加されるたびに個別にメモリが割り当てられます。
• 詳細
  QLinkedListはダブルリンクされたリストとして実装されており、各要素が前後の要素へのポインタを持っています。

std::vectorやstd::listの使用 (C++標準ライブラリ)

• いつ使用するか
  
  • Qtのコンテナが提供しない特定の最適化や動作が必要な場合。
  • Qtの依存関係を最小限に抑えたい場合（例えば、ライブラリ開発において）。
  • すでにstdコンテナの使用に慣れている場合。
• capacity()との関連
  std::vector::capacity()はQVector::capacity()とほぼ同じ意味を持ちます。

コンテナの初期化方法の工夫

capacity()を直接変更するわけではありませんが、QList（またはQVector）の初期化時に必要な容量を考慮することで、不要な再割り当てを防ぐことができます。

• イテレータ範囲からの初期化
  

  std::vector<int> sourceData = {1, 2, 3, 4, 5};
  QList<int> myList(sourceData.begin(), sourceData.end()); // sourceDataの要素でQListを初期化
  // この場合、QListはsourceDataのサイズに合わせて適切なcapacityを確保しようとします。
  

• コンストラクタでサイズを指定
  

  QVector<int> vec(100); // 100個のデフォルト初期化された要素を持つQVectorを生成
  // この場合、capacity()は少なくとも100になります
  

  これはQListではできません（QListはQt 6以降QVectorのエイリアスなので、QVector<int> list(100);は可能です）。

QList::capacity()はシーケンシャルコンテナ（順序付けられたリスト）のメモリ管理に関連するものですが、データへのアクセス方法によっては、そもそもシーケンシャルコンテナが適切でない場合があります。

• いつ使用するか
  
  • 要素を値やキーで検索したい場合。
  • 要素の順序が重要でない場合（QHash, QSet）。
  • 高速な挿入、削除、検索が必要な場合。
• capacity()との関連
  これらのコンテナも内部的にメモリを管理し、必要に応じてリサイズ（再ハッシュなど）を行います。QHashやQSetにはreserve()やsqueeze()に似たQHash::reserve()やQHash::squeeze()といったメソッドがあります。
• 詳細
  キーと値のペアでデータを管理したい場合や、高速なルックアップ（検索）が必要な場合は、これらのコンテナが適しています。
  • QMap: キーでソートされた状態を保ちます。
  • QHash: ハッシュテーブルベースで、非常に高速なルックアップを提供します（キーのソートは不要）。
  • QSet: 一意な値の集合を管理します。

QList::capacity()に関連するプログラミングの「代替方法」とは、単にcapacity()を使わないということではなく、QListが持つパフォーマンス特性やメモリ管理の挙動を理解し、より適切なコンテナを選択したり、そのコンテナの機能を活用したりすることです。