C++内置了数组的类型，在使用数组的时候，必须指定数组的长度，一旦配置了就不能改变了，通常我们的做法是：尽量配置一个大的空间，以免不够用，这样做的缺点是比较浪费空间，预估空间不当会引起很多不便。
STL实现了一个Vector容器，该容器就是来改善数组的缺点。vector是一个动态空间，随着元素的加入，它的内部机制会自行扩充以容纳新元素。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，再也不必因为害怕空间不足而一开始就配置一个大容量数组了，vector是用多少就分配多少。
要想实现动态分配数组，Vector内部就需要对空间控制做到有效率的掌控，这些机制要如何运作才能高效地实现动态分配呢？本篇博客就从源代码的角度带你领略一下Vector容器内部的构造艺术。
Vector概述
大家知道，初始化一个数组的时候，需要给数组分配一块内存，数组中的数据都是按序存放的。vector也是如此，再初始化的时候给vector容器分配一块内存，用来存放容器中的数据，一旦分配的内存不足以存放新加入的数据时，就需要扩充空间。STLVector的做法是：重新开辟一段新的空间，将原空间的数据迁移过去，然后新加入的数据存放在新空间之后并释放掉原有空间。
在这个过程中，配置新空间->数据移动->释放旧空间会带来一定的时间成本，所以必须尽可能高效的实现，STL的Vector设计中对这一部分做了相当大的优化，使得时间成本尽可能的小。下面就一起去看看这些优秀的设计吧↓。
Vector的数据结构
我们从最简单的开始，Vector的数据结构相当简单，由于需要判断内存是否够用，所以要用到三个指针，分别指向头，目前使用空间的尾，目前可用空间的尾。其源代码如下：
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template <
class T, class Alloc = alloc>//alloc是STL的空间配置器
class vector
{
// 这里提供STL标准的allocator接口
typedef simple_alloc<value_type, Alloc> data_allocator;
iterator start;
// 内存空间起始点
iterator finish;
// 当前使用的内存空间结束点
iterator end_of_storage;
// 实际分配内存空间的结束点
}
|
每当初始化一个vector的时候，先分配一段内存，称为目前可用空间，大小为end_of_storage - start + 1，当往vector里面加入数据的时候，finish就往后移，代表目前已使用的空间，这样做的好处是，不用频繁的扩充空间和转移数据，使得时间成本下降。
在上述代码中，我们看到vector采用了STL标准的空间配置其接口，关于空间配置器的知识在带你深入理解STL之空间配置器(思维导图+源码)一文中有讲解，如有疑惑，可以跳转复习一下再来！
vector提供了如下函数来支持获取其数据结构中的相关参数。
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//获取指向vector首元素的迭代器
iterator begin() {
return start; }
//获取指向vector尾元素的迭代器
iterator end() {
return finish; }
// 返回当前对象个数，即已使用空间的大小
size_type size() const {
return size_type(end() - begin()); }
// 返回重新分配内存前最多能存储的对象个数，即目前可用空间的大小
size_type capacity() const {
return size_type(end_of_storage - begin()); }
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Vector的迭代器
既然是STL的容器，必须要满足迭代器的相关要求，如对迭代器有疑惑的，参考带你深入理解STL之迭代器和Traits技法。
vector维护的是一段连续的内存空间，所以不论容器中元素的型别为何，普通指针都可以作为vector的迭代器而满足所有必要的条件。vector支持随机存取，所以vector提供的是Random Access Iterator。
下面来看看vector关于迭代器的源码：
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template <
class T, class Alloc = alloc>
class vector
{
public:
// vector内部是连续内存空间，所以迭代器采用原生指针即可
typedef value_type* iterator;
//以下为满足Traits功能定义的内嵌型别
typedef T value_type;
typedef value_type* pointer;
typedef
const value_type* const_pointer;
typedef
const value_type* const_iterator;
typedef value_type& reference;
typedef
const value_type& const_reference;
typedef
ptrdiff_t difference_type;
typedef
size_t size_type;
}
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vector的构造函数
默认构造函数
在使用vector的时候，我们通常会有如下定义：
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vector<
int> vec;
|
在上述定义中，调用了vector的默认构造函数，其默认不分配内存空间，如下：
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// vector的默认构造函数默认不分配内存空间
vector() : start(
0), finish(
0), end_of_storage(
0) {}
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带参构造函数
通常，vector的初始化可以指定元素个数和初始化类型。如下：
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vector<
int> vec(
10,
1);
// 将vec初始化为10个1
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vector提供下面的构造函数以支持上述初始化操作：
带参构造函数
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// 构造函数，允许指定vector的元素个数和初值
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()); }
/**
* 填充并予以初始化
*/
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
//这里不过多的分配内存
end_of_storage = finish;
}
/**
* 配置一块大小为n的内存空间，并予以填充
*/
iterator allocate_and_fill(size_type n, const T& x)
{
// 调用STL的空间配置器配置一块大小为n的内存空间
iterator result = data_allocator::allocate(n);
// 调用底层函数uninitialized_fill_n予以填充
uninitialized_fill_n(result, n, x);
return result;
}
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这里面调用了uninitialized_fill_n函数，这个函数是STL的内存基本处理函数，存放在stl_uninitialized.h中，下面来看看它的源码：
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// 如果copy construction和operator =等效, 并且destructor is trivial
// 那么就可以使用本函数
template <
class ForwardIterator, class Size, class T>
inline ForwardIterator
__uninitialized_fill_n_aux(ForwardIterator first, Size n,
const T& x, __true_type)
{
return fill_n(first, n, x);
}
// 不是POD类型使用以下函数
template <
class ForwardIterator, class Size, class T>
ForwardIterator
__uninitialized_fill_n_aux(ForwardIterator first, Size n,
const T& x, __false_type)
{
ForwardIterator cur = first;
for ( ; n >
0; --n, ++cur)
construct(&*cur, x);
return cur;
}
// 利用type_traits来判断是否是POD类型
template <
class ForwardIterator, class Size, class T, class T1>
inline ForwardIterator __uninitialized_fill_n(ForwardIterator first, Size n,
const T& x, T1*)
{
typedef
typename __type_traits<T1>::is_POD_type is_POD;
return __uninitialized_fill_n_aux(first, n, x, is_POD());
}
// 利用Iterator_traits来萃取出其值类型
template <
class ForwardIterator, class Size, class T>
inline ForwardIterator uninitialized_fill_n(ForwardIterator first, Size n,
const T& x)
{
return __uninitialized_fill_n(first, n, x, value_type(first));
}
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vector的元素操作函数
push_back()
push_back()函数将新元素插入于vector的尾部，该函数再完成这一操作的时候，先检查是否还有备用空间，如果有直接再备用空间上构造函数；如果没有就扩充空间，通过重新配置一块大空间，移动数据，释放原空间的操作来完成push_back操作。其源代码如下：
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////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////
// 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);
}
////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////
// 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 vector<T, Alloc>::insert_aux(iterator position,
const T& x)
{
if (finish != end_of_storage) {
// 还有剩余内存
construct(finish, *(finish -
1));
++finish;
T x_copy = x;
copy_backward(position, finish -
2, finish -
1);
*position = x_copy;
}
else {
// 内存不足, 需要重新分配
const size_type old_size = size();
//配置原则：如果原大小为0，就配置1个元素大小
// 如果原大小不为0，就配置原大小的两倍
// 前半段用来放置原数据，后半段用来放置新数据
const size_type len = old_size !=
0 ?
2 * old_size :
1;
iterator new_start = data_allocator::allocate(len);
iterator new_finish = new_start;
// 将内存重新配置
__STL_TRY {
// 将原vector的内容拷贝到新vector
new_finish = uninitialized_copy(start, position, new_start);
// 构造新元素并赋值为x
construct(new_finish, x);
// 调整finish的位置
++new_finish;
// 将安插点的原内容也拷贝过来
new_finish = uninitialized_copy(position, finish, new_finish);
}
// 分配失败则抛出异常
catch (...) {
destroy(new_start, new_finish);
data_allocator::deallocate(new_start, len);
throw;
}
// 析构原容器中的对象
destroy(begin(), end());
// 释放原容器分配的内存
deallocate();
// 调整内存指针状态
start = new_start;
finish = new_finish;
end_of_storage = new_start + len;
}
}
|
pop_back()函数
pop_back函数弹出当前尾端元素。其源代码比较简单，如下：
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void pop_back()
{
//调整finish
--finish;
//释放调弹出的元素
destroy(finish);
}
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erase()函数
erase函数支持两个版本：
- 清除某个位置上的元素
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iterator erase(iterator position)
{
if (position +
1 != end())
copy(position +
1, finish, position);
//将[position+1,finish]移到[position,finish]
--finish;
destroy(finish);
return position;
//返回删除点的迭代器
}
|
- 清除某个区间上的所有函数
|
iterator erase(iterator first, iterator last)
{
iterator i = copy(last, finish, first);
//关于copy函数的源码分析在以后的博文中会提到
// 析构掉需要析构的元素
destroy(i, finish);
finish = finish - (last - first);
return first;
}
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这里放上两张《STL源码剖析》中的图，便于理解这一过程：
erase函数
有上述erase函数，可以衍生出一个函数，用来清除迭代器中所有的元素
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void clear() { erase(begin(), end()); }
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insert()函数
insert函数实现的功能是：从position开始，插入n个元素，元素的初值均为x。其源码如下：
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////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////
// 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 vector<T, Alloc>::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) {
// 剩下的内存够分配
T x_copy = x;
const size_type elems_after = finish - position;
// 计算插入点之后的现有元素个数
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，见下图1
// 先复制尾部n个元素到尾部
uninitialized_copy(finish - n, finish, finish);
finish += n;
// 调整新的finish
// 从后往前复制剩余的旧元素
copy_backward(position, old_finish - n, old_finish);
// 从position开始填充新元素
fill(position, position + n, x_copy);
}
else {
// 插入点之后的现有元素个数小于新增元素个数，见下图2
// 先在尾部填充n - elems_after个新增元素
uninitialized_fill_n(finish, n - elems_after, x_copy);
// 调整新的finish
finish += n - elems_after;
// 复制[position,old_finish]区间的数到新的finish之后
uninitialized_copy(position, old_finish, finish);
// 调整finish
finish += elems_after;
// 从position开始填充新增元素
fill(position, old_finish, x_copy);
}
}
else {
// 剩下的内存不够分配, 需要重新分配
const size_type old_size = size();
const size_type len = old_size + max(old_size, n);
iterator new_start = data_allocator::allocate(len);
iterator new_finish = new_start;
__STL_TRY {
// 将旧的vector中插入点之前的元素复制到新空间，见下图3
new_finish = uninitialized_copy(start, position, new_start);
// 将新增元素复制到新空间
new_finish = uninitialized_fill_n(new_finish, n, x);
// 将插入点之后的元素复制到新空间
new_finish = uninitialized_copy(position, finish, new_finish);
}
catch (...) {
destroy(new_start, new_finish);
data_allocator::deallocate(new_start, len);
throw;
}
// 清除并释放原有vector
destroy(start, finish);
deallocate();
// 调整新的start和finish
start = new_start;
finish = new_finish;
end_of_storage = new_start + len;
}
}
}
|
上述操作可以使插入操作达到最高的效率。配合以下图解更容易理解：
插入点之后的现有元素个数大于新增元素个数的情况
第一种情况插入点之后的现有元素个数小于新增元素个数的情况
第二种情况剩下的内存不够分配，重新配置的情况
第三种情况
后记
STL的Vector容器到此就介绍完毕了。其中对改善效率作了不少优化，很多设计点都值得学习！若有疑惑可以在博文下方留言，我看到会及时帮大家解答！
参考：
- C++ STL源码剖析
- STL源码剖析——迭代器
- 侯捷先生的《STL源码剖析》 华中科技大学出版社
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