STL源码剖析---vector

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vector容器概述

vector的数据安排以及操作方式，与array非常相似。两者的唯一区别在于空间的运用的灵活性。array是静态空间，一旦配置了就不能改变；要换个大（或小）一点的房子，可以，一切琐细都得由客户端自己来：首先配置一块新空间，然后将元素从旧址一一搬往新址，再把原来的空间释还给系统。vector是动态空间，随着元素的加入，它的内部机制会自行扩充空间以容纳新元素。因此，vector的运用对于内存的合理利用与运用的灵活性有很大的帮助，我们再也不必因为害怕空间不足而一开始要求一个大块头的array了，我们可以安心使用array，吃多少用多少。

vector的实现技术，关键在于其对大小的控制以及重新配置时的数据移动效率。一旦vector的旧有空间满载，如果客户端每新增一个元素，vector的内部只是扩充一个元素的空间，实为不智。因为所谓扩充空间（不论多大），一如稍早所说，是”配置新空间/数据移动/释还旧空间“的大工程，时间成本很高，应该加入某种未雨绸缪的考虑。稍后我们便可看到SGI vector的空间配置策略了。

另外，由于vector维护的是一个连续线性空间，所以vector支持随机存取。

注意：vector动态增加大小时，并不是在原空间之后持续新空间（因为无法保证原空间之后尚有可供配置的空间），而是以原大小的两倍另外配置一块较大的空间，然后将原内容拷贝过来，然后才开始在原内容之后构造新元素，并释放原空间。因此，对vector的任何操作，一旦引起空间重新配置，指向原vector的所有迭代器就都失效了。这是程序员易犯的一个错误，务需小心。

以下是vector定义的源代码摘录：

Cpp代码






#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); }

////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////

// 向容器尾追加一个元素, 可能导致内存重新分配

////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////

// push_back(const T& x)

// |

// |---------------- 容量已满?

// |

// ----------------------------

// No | | Yes

// | |

// ↓ ↓

// construct(finish, x); insert_aux(end(), x);

// ++finish; |

// |------ 内存不足, 重新分配

// | 大小为原来的2倍

// new_finish = data_allocator::allocate(len); <stl_alloc.h>

// uninitialized_copy(start, position, new_start); <stl_uninitialized.h>

// construct(new_finish, x); <stl_construct.h>

// ++new_finish;

// uninitialized_copy(position, finish, new_finish); <stl_uninitialized.h>

////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////

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);
}

////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////

// 在指定位置插入元素

////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////

// insert(iterator position, const T& x)

// |

// |------------ 容量是否足够 && 是否是end()?

// |

// -------------------------------------------

// No | | Yes

// | |

// ↓ ↓

// insert_aux(position, x); construct(finish, x);

// | ++finish;

// |-------- 容量是否够用?

// |

// --------------------------------------------------

// Yes | | No

// | |

// ↓ |

// construct(finish, *(finish - 1)); |

// ++finish; |

// T x_copy = x; |

// copy_backward(position, finish - 2, finish - 1); |

// *position = x_copy; |

// ↓

// data_allocator::allocate(len); <stl_alloc.h>

// uninitialized_copy(start, position, new_start); <stl_uninitialized.h>

// construct(new_finish, x); <stl_construct.h>

// ++new_finish;

// uninitialized_copy(position, finish, new_finish); <stl_uninitialized.h>

// destroy(begin(), end()); <stl_construct.h>

// deallocate();

////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////

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;
}

// 提供插入操作

////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////

// insert_aux(iterator position, const T& x)

// |

// |---------------- 容量是否足够?

// ↓

// -----------------------------------------

// Yes | | No

// | |

// ↓ |

// 从opsition开始, 整体向后移动一个位置 |

// construct(finish, *(finish - 1)); |

// ++finish; |

// T x_copy = x; |

// copy_backward(position, finish - 2, finish - 1); |

// *position = x_copy; |

// ↓

// data_allocator::allocate(len);

// uninitialized_copy(start, position, new_start);

// construct(new_finish, x);

// ++new_finish;

// uninitialized_copy(position, finish, new_finish);

// destroy(begin(), end());

// deallocate();

////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////

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;
}
}

////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////

// 在指定位置插入n个元素

////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////

// insert(iterator position, size_type n, const T& x)

// |

// |---------------- 插入元素个数是否为0?

// ↓

// -----------------------------------------

// No | | Yes

// | |

// | ↓

// | return;

// |----------- 内存是否足够?

// |

// -------------------------------------------------

// Yes | | No

// | |

// |------ (finish - position) > n? |

// | 分别调整指针 |

// ↓ |

// ---------------------------- |

// No | | Yes |

// | | |

// ↓ ↓ |

// 插入操作, 调整指针 插入操作, 调整指针 |

// ↓

// data_allocator::allocate(len);

// new_finish = uninitialized_copy(start, position, new_start);

// new_finish = uninitialized_fill_n(new_finish, n, x);

// new_finish = uninitialized_copy(position, finish, new_finish);

// destroy(start, finish);

// deallocate();

////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////

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;
}
}
}
};