C++ 《STL源码剖析》vector学习

写在前面：

以前竞赛只是会用vector的接口函数，这次深入了解下

参考博客：https://www.cnblogs.com/IamTing/p/4605820.html

vector源码摘录：

无空间配置器部分

#include<iostream>
using namespace std;
#include<memory.h>  
// alloc是SGI STL的空间配置器
template <class T, class Alloc = alloc>
class vector
{
public:
    // vector的嵌套类型定义,typedefs用于提供iterator_traits<I>支持
    typedef T value_type;
    typedef value_type* pointer;
    typedef value_type* iterator;
    typedef value_type& reference;
    typedef size_t size_type;
    typedef ptrdiff_t difference_type;
protected:
    // 这个提供STL标准的allocator接口
    typedef simple_alloc <value_type, Alloc> data_allocator;

    iterator start;               // 表示目前使用空间的头
    iterator finish;              // 表示目前使用空间的尾
    iterator end_of_storage;      // 表示实际分配内存空间的尾

    void insert_aux(iterator position, const T& x);

    // 释放分配的内存空间
    void deallocate()
    {
        // 由于使用的是data_allocator进行内存空间的分配,
        // 所以需要同样使用data_allocator::deallocate()进行释放
        // 如果直接释放, 对于data_allocator内部使用内存池的版本
        // 就会发生错误
        if (start)
            data_allocator::deallocate(start, end_of_storage - start);
    }

    void fill_initialize(size_type n, const T& value)
    {
        start = allocate_and_fill(n, value);
        finish = start + n;                         // 设置当前使用内存空间的结束点
        // 构造阶段, 此实作不多分配内存,
        // 所以要设置内存空间结束点和, 已经使用的内存空间结束点相同
        end_of_storage = finish;
    }

public:
    // 获取几种迭代器
    iterator begin() { return start; }
    iterator end() { return finish; }

    // 返回当前对象个数
    size_type size() const { return size_type(end() - begin()); }
    size_type max_size() const { return size_type(-1) / sizeof(T); }
    // 返回重新分配内存前最多能存储的对象个数
    size_type capacity() const { return size_type(end_of_storage - begin()); }
    bool empty() const { return begin() == end(); }
    reference operator[](size_type n) { return *(begin() + n); }

    // 本实作中默认构造出的vector不分配内存空间
    vector() : start(0), finish(0), end_of_storage(0) {}


    vector(size_type n, const T& value) { fill_initialize(n, value); }
    vector(int n, const T& value) { fill_initialize(n, value); }
    vector(long n, const T& value) { fill_initialize(n, value); }

    // 需要对象提供默认构造函数
    explicit vector(size_type n) { fill_initialize(n, T()); }

    vector(const vector<T, Alloc>& x)
    {
        start = allocate_and_copy(x.end() - x.begin(), x.begin(), x.end());
        finish = start + (x.end() - x.begin());
        end_of_storage = finish;
    }

    ~vector()
    {
        // 析构对象
        destroy(start, finish);
        // 释放内存
        deallocate();
    }

    vector<T, Alloc>& operator=(const vector<T, Alloc>& x);

    // 提供访问函数
    reference front() { return *begin(); }
    reference back() { return *(end() - 1); }

    void push_back(const T& x)
    {
        // 内存满足条件则直接追加元素, 否则需要重新分配内存空间
        if (finish != end_of_storage)
        {
            construct(finish, x);
            ++finish;
        }
        else
            insert_aux(end(), x);
    }

    iterator insert(iterator position, const T& x)
    {
        size_type n = position - begin();
        if (finish != end_of_storage && position == end())
        {
            construct(finish, x);
            ++finish;
        }
        else
            insert_aux(position, x);
        return begin() + n;
    }

    iterator insert(iterator position) { return insert(position, T()); }

    void pop_back()
    {
        --finish;
        destroy(finish);
    }

    iterator erase(iterator position)
    {
        if (position + 1 != end())
            copy(position + 1, finish, position);
        --finish;
        destroy(finish);
        return position;
    }


    iterator erase(iterator first, iterator last)
    {
        iterator i = copy(last, finish, first);
        // 析构掉需要析构的元素
        destroy(i, finish);
        finish = finish - (last - first);
        return first;
    }

    // 调整size, 但是并不会重新分配内存空间
    void resize(size_type new_size, const T& x)
    {
        if (new_size < size())
            erase(begin() + new_size, end());
        else
            insert(end(), new_size - size(), x);
    }
    void resize(size_type new_size) { resize(new_size, T()); }

    void clear() { erase(begin(), end()); }

protected:
    // 分配空间, 并且复制对象到分配的空间处
    iterator allocate_and_fill(size_type n, const T& x)
    {
        iterator result = data_allocator::allocate(n);
        uninitialized_fill_n(result, n, x);
        return result;
    }

    template <class T, class Alloc>
    void insert_aux(iterator position, const T& x)
    {
        if (finish != end_of_storage)    // 还有备用空间
        {
            // 在备用空间起始处构造一个元素，并以vector最后一个元素值为其初值
            construct(finish, *(finish - 1));
            ++finish;
            T x_copy = x;
            copy_backward(position, finish - 2, finish - 1);
            *position = x_copy;
        }
        else   // 已无备用空间
        {
            const size_type old_size = size();
            const size_type len = old_size != 0 ? 2 * old_size : 1;
            // 以上配置元素：如果大小为0，则配置1（个元素大小）
            // 如果大小不为0，则配置原来大小的两倍
            // 前半段用来放置原数据，后半段准备用来放置新数据

            iterator new_start = data_allocator::allocate(len);  // 实际配置
            iterator new_finish = new_start;
            // 将内存重新配置
            try
            {
                // 将原vector的安插点以前的内容拷贝到新vector
                new_finish = uninitialized_copy(start, position, new_start);
                // 为新元素设定初值 x
                construct(new_finish, x);
                // 调整水位
                ++new_finish;
                // 将安插点以后的原内容也拷贝过来
                new_finish = uninitialized_copy(position, finish, new_finish);
            }
            catch(...)
            {
                // 回滚操作
                destroy(new_start, new_finish);
                data_allocator::deallocate(new_start, len);
                throw;
            }
            // 析构并释放原vector
            destroy(begin(), end());
            deallocate();

            // 调整迭代器，指向新vector
            start = new_start;
            finish = new_finish;
            end_of_storage = new_start + len;
        }
    }

    template <class T, class Alloc>
    void insert(iterator position, size_type n, const T& x)
    {
        // 如果n为0则不进行任何操作
        if (n != 0)
        {
            if (size_type(end_of_storage - finish) >= n)
            {      // 剩下的备用空间大于等于“新增元素的个数”
                T x_copy = x;
                // 以下计算插入点之后的现有元素个数
                const size_type elems_after = finish - position;
                iterator old_finish = finish;
                if (elems_after > n)
                {
                    // 插入点之后的现有元素个数 大于 新增元素个数
                    uninitialized_copy(finish - n, finish, finish);
                    finish += n;    // 将vector 尾端标记后移
                    copy_backward(position, old_finish - n, old_finish);
                    fill(position, position + n, x_copy); // 从插入点开始填入新值
                }
                else
                {
                    // 插入点之后的现有元素个数 小于等于 新增元素个数
                    uninitialized_fill_n(finish, n - elems_after, x_copy);
                    finish += n - elems_after;
                    uninitialized_copy(position, old_finish, finish);
                    finish += elems_after;
                    fill(position, old_finish, x_copy);
                }
            }
            else
            {   // 剩下的备用空间小于“新增元素个数”（那就必须配置额外的内存）
                // 首先决定新长度：就长度的两倍 ， 或旧长度+新增元素个数
                const size_type old_size = size();
                const size_type len = old_size + max(old_size, n);
                // 以下配置新的vector空间
                iterator new_start = data_allocator::allocate(len);
                iterator new_finish = new_start;
                __STL_TRY
                {
                    // 以下首先将旧的vector的插入点之前的元素复制到新空间
                    new_finish = uninitialized_copy(start, position, new_start);
                    // 以下再将新增元素（初值皆为n）填入新空间
                    new_finish = uninitialized_fill_n(new_finish, n, x);
                    // 以下再将旧vector的插入点之后的元素复制到新空间
                    new_finish = uninitialized_copy(position, finish, new_finish);
                }
#         ifdef  __STL_USE_EXCEPTIONS
                catch(...)
                {
                    destroy(new_start, new_finish);
                    data_allocator::deallocate(new_start, len);
                    throw;
                }
#         endif /* __STL_USE_EXCEPTIONS */
                destroy(start, finish);
                deallocate();
                start = new_start;
                finish = new_finish;
                end_of_storage = new_start + len;
            }
        }
    }
};

View Code

本文章是笔者学习《STL源码剖析》的学习笔记，记录的是笔者的个人理解，因为个人的水平有限，难免会有理解不当的地方，而且该书出版的时间比较久，难免会有些不一样。如有不当，欢迎指出。

　　vector是c++中经常用到的数据结构，而且在面试时也会有提及，因此了解vector很重要。

　　一说到vector，我们就很容易想到另外一个与它十分相似的数据结构，关于它们之间显著的差别，我觉得是在于空间运用的灵活性上。数组是静态的，在声明的时候就要指明其具体的空间大小，而vector是动态的，随着元素的增加，它内部机制会自行扩充以容纳新元素。

　　这里提及一个问题。

1 #include <iostream>
2 
3 int main() {
4     int len;
5     std::cin >> len;
6     int arr[len];
7     return 0;
8 }

　　如上的一小段代码，在VS中编译会报错，而在g++编译器中却能顺利通过，这里个人不是很理解，或许是跟编译器内部的编译规则有关系。

　　平时，我们要使用vector的时候，声明如下

std::vector<int> vec0;
std::vector<int> vec1(10);
std::vector<int> vec2(10, 0);

　　这短短的一句代码中，到底是做了些什么呢？

　　我们还是先看看书中给出的部分代码吧。

 1 template <class T, class Alloc = alloc>
 2 class vector {
 3 
 4 ...
 5 
 6 protected:
 7   typedef simple_alloc<value_type, Alloc> data_allocator;  
 8   iterator start;                                    　//表示目前使用空间的头
 9   iterator finish;                                  　//表示目前使用空间的尾
10   iterator end_of_storage;                  　　　　　　//表示目前可用空间的尾
11 
12   void fill_initialize(size_type n, const T& value) {
13         start = allocate_and_fill(n, value);
14         finish = start + n;
15         end_of_storage = finish;
16   }
17 
18    // 分配空间并填满内容
19    iterator allocate_and_fill(size_type n, const T& x) {
20         iterator result = data_allocator::allocate(n);
21         uninitialized_fill_n(result, n, x);
22         return result;
23     }
24 
25 ...
26 
27 public:
28     vector() : start(0), finish(0), end_of_storage(0) {}
29     vector(size_type n, const T& value) {fill_initialize(n, value);}
30     vector(int n, const T& value) {fill_initialize(n, value);}
31     vector(long n, const T& value) {fill_initialize(n, value);}
32     explicit vector(size_type n) {fill_initialize(n, T());}
33 ...
34 }

　　上述中可以看到vector部分构造函数，其中默认构造函数只是把所有的迭代器都初始化为０，这是最简单的了，但注意它并没有申请内存空间。另外４个大同小异，都向堆申请了大小为n的内存空间，只是初始化这些空间的时候进行的操作不一样而已：３个用传入的形参来进行初始化，１个用T类型的值初始化T()来进行初始化。这４个构造函数都用同一个函数fill_initialize()来进行堆空间的申请并且初始化。现在让我们看看这个函数到底干了些什么。

void fill_initialize(size_type n, const T& value) {
        start = allocate_and_fill(n, value);
        finish = start + n;
        end_of_storage = finish;
}

　　这个函数不难理解，它要做的工作主要是初始化迭代器。它接受两个参数n和value，n指明了要申请的堆空间大小，value指明了要初始化这些堆空间的内容，并把它们传给另外一个函数allocate_and_fill() ,该函数才是真正的申请堆空间和初始化。接着fill_initialize()就根据allocate_and_fill() 返回的迭代器来初始化start迭代器，并且初始化finish和end_of_storage迭代器。

　　以下再让我们看看allocate_and_fill() 函数。

  // 分配空间并填满内容
iterator allocate_and_fill(size_type n, const T& x) {
         iterator result = data_allocator::allocate(n);
         uninitialized_fill_n(result, n, x);
         return result;
 }

　　从函数的名字我们都可以大概知道它是要干什么的了。它接受来自fill_initialize()的两个参数，该两个参数的含义在前面已提及。然后申请堆空间并初始化。data_allocator实质上就是simple_alloc<value_type, Alloc>，simple_alloc是SGI STL的空间配置器，SGI STL的空间配置器的简单介绍请点这里或自行谷歌。若果是SGI STL第一级配置器那么data_allocator::allocate()实质上就是直接调用c语言中的malloc()来申请堆空间；若是第二级配置器，就先考察申请区块是否大于128bytes，若是大于则转调用第一级配置器，否则就以内存池来管理，目的是为了避免太多小额区块造成内存碎片化。

　　在讲完data_allocator::allocate()后，我们不妨看看uninitialized_fill_n()，它定义在<stl_uninitialized.h>中。<stl_uninitialized.h>定义了一些全局函数，如uninitialized_fill_n()，用来填充或复制大块内存数据，以便提高效率。

template<class ForwardIterator, class SIze, class T>
ForwardIterator uninitialized_fill_n(ForwardIterator first, Size n, const T& x);

　　迭代器first指向将要初始化空间的起始处；n表示将要初始化空间的的大小；x表示初始化的值。如果[first，first+n)范围内的每一个迭代器都指向未初始化的内存，那么uninitialized_fill_n()会调用copy constructor，在该范围内产生x的副本，但注意一点是在此过程中若任何一个copy constructor丢出异常，uninitialized_fill_n()必须析构已产生的所有元素。

　　说完vector的构造，那么就先看看析构函数吧。

... ...

~vector() {
    destroy(start, finish);
    dellocate();
}

... ...

　　析构函数很简单，就调用两个函数:destroy()和dellocate()。destroy()负责对象的析构，这个下面将要讲述。dellocate()负责释放申请的堆空间。这里释放的方式又与空间配置器相关。若果是第一级配置器，就直接调用c语言中free()函数，这正如申请时的简便。但若果是第二级配置器，则比较复杂一些，具体请参考这里或自行谷歌。

　　上面的内容就是关于vector申请和释放堆空间的大概过程，但仅仅是申请和释放堆空间而已。

　　为了能继续下去，我们来看看下面的代码。

class Foo {..};
Foo* pf = new Foo;             // 分配内存，然后构造对象
delete pf;                     // 将对象析构，然后释放内存

　　上述的new操作符做了两件事:(1)分配内存(2)调用Foo::Foo()构造对象。

　　同样，delete操作符也做了两件事:(1)调用Foo::~Foo()将对象析构(2)释放内存

　　但是，在STL 配置器中为了精密分工，把这些操作都细分开来。具体来说就是

　　::construct()负责对象的构造

　　::destroy()负责对象的析构

　　alloc::allocate()负责内存分配

　　alloc::deallocate()负责内存释放

　　上面vector的内存操作所用到就是alloc::allocate()，alloc::deallocate()，这里就不在讲述了。

　　construct()和destroy()都包含在<stl_construct.h>内。

// 这是construct()函数
template <class T1, class T2>
inline void construct(T1* p, const T2& value) {
    new (P) T1(value);　　// placement new;调用T1::T1(value)
}

　　上述construct()接受一个指针p和一个初值value，该函数的用途就是将初值拷贝一份到指针所指的空间上，这个还是简单明了的。

　　接着是destroy()。这个函数有两个版本，先看第一个版本。

// 第一个版本
template <class T>
inline void destroy(T* pointer) {
    pointer->~T();
}

　　第一个版本接受一个指针，调用析构函数将该指针所指的对象析构。

// 第二个版本
template<class ForwardIterator, class T>
inline void destroy(ForwardIterator first, ForwardIterator last, T*) {
    __destroy(first, last, value_type(first));
}

　　第二版本接受first和last两个迭代器，将[first, last)范围内的所有对象析构掉。这里还要考虑效率问题，但代码上不再展开。

　　好了，对对象的构建和析构的过程有了基本的认识后，再看看vector的push_back()函数的实现吧

1 void push_back(const T& x) {
2     if (finish != end_of_storage) {
3         construct(finish, x);
4         ++finish;
5     } else {
6         insert_aux(end(), x);
7      }
8 }

　　当我们把元素push_back到vector的尾端后，函数首先检查是否还有备用的空间，如果有的话就调用construct()函数，在finish迭代器指定的位置上构建x对象，同时改变finish迭代器，使其自增１。

　　然而若果没有备用空间，就需要扩充空间了，这就是insert_aux()函数所要做的。

 1 template <class T, class Alloc>  
 2     void insert_aux(iterator position, const T& x)  
 3     {  
 4         if (finish != end_of_storage)    // 还有备用空间  
 5         {  
 6             // 在备用空间起始处构造一个元素，并以vector最后一个元素值为其初值  
 7             construct(finish, *(finish - 1));  
 8             ++finish;  
 9             T x_copy = x;  
10             copy_backward(position, finish - 2, finish - 1);  
11             *position = x_copy;  
12         }  
13         else   // 已无备用空间  
14         {  
15             const size_type old_size = size();  
16             const size_type len = old_size != 0 ? 2 * old_size : 1;  
17             // 以上配置元素：如果大小为0，则配置1（个元素大小）  
18             // 如果大小不为0，则配置原来大小的两倍  
19             // 前半段用来放置原数据，后半段准备用来放置新数据  
20   
21             iterator new_start = data_allocator::allocate(len);  // 实际配置  
22             iterator new_finish = new_start;  
23             // 将内存重新配置  
24             try  
25             {  
26                 // uninitialized_copy()的第一个参数指向输入端的起始位置
27                 // 第二个参数指向输入端的结束位置（前闭后开的区间)
28                 // 第三个参数指向输出端(欲初始化空间)的起始处
29 
30                 // 将原vector的安插点以前的内容拷贝到新vector
31                 new_finish = uninitialized_copy(start, position, new_start);  
32                 // 为新元素设定初值 x  
33                 construct(new_finish, x);  
34                 // 调整已使用迭代器的位置  
35                 ++new_finish;  
36                 // 将安插点以后的原内容也拷贝过来  
37                 new_finish = uninitialized_copy(position, finish, new_finish);  
38             }  
39             catch(...)  
40             {  
41                 // 回滚操作  
42                 destroy(new_start, new_finish);  
43                 data_allocator::deallocate(new_start, len);  
44                 throw;  
45             }  
46             // 析构并释放原vector  
47             destroy(begin(), end());  
48             deallocate();  
49   
50             // 调整迭代器，指向新vector  
51             start = new_start;  
52             finish = new_finish;  
53             end_of_storage = new_start + len;  
54         }  
55     }

　　从代码中可以知道，当备用空间不足时，vector做了以下的工作：

重新分配空间(15~22行)：若原来的空间大小为0，则扩充空间为１，否则扩充为原来的两倍。
移动数据（31～37行）
释放原空间（47～48行）
更新迭代器（51～53行)

　　当调用默认构造函数构造vector时，其空间大小为0，但当我们push_back一个元素到vector尾端时，vector就进行空间扩展，大小为１，以后每当备用空间用完了，就将空间大小扩展为原来的两倍。

　　注意的是，所谓动态增加大小，并不是在原空间之后接续新空间，（因为无法保证原空间之后上有可供分配的空间），而是以原大小的两倍来另外分配一块较大空间，因此，一旦空间重新分配，指向原vector的所有迭代器就会失效，这里要特别注意。

总结：

vector的各种操作其实离不开四个操作堆内存的申请和释放对象的创建和摧毁

我们在使用vector的时候应该处理好初始大小问题 vector虽然为动态数组但是它调整大小的代价很大

所谓动态调整大小，并不是在原vector后面添加新空间，而是申请两倍长度的vector新空间然后将原本vector数据复制到新vector上。

对vector的任何操作如果引起了新的空间配置那么指向vector的所有迭代器都会失效了

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