STL源码剖析--vector

心已赠人 2022-08-05 10:28 241阅读 0赞

**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：

#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;
    			}
    		}
    	}
    };