STL — vector源代码剖析

朴灿烈づ我的快乐病毒、 2022-06-03 07:06 160阅读 0赞

# vector源代码剖析 #

vector的数据安排以及操作方式，与array非常相似. 两者的唯一差别在于空间的运用的灵活性. array是静态空间，一旦配置了就不能够再改变. 要换

个 大一点的房子，可以，一切琐细得由客户端自己来: 首先配置一块新空间，然后将元素从旧址一一搬往新址，再把原来的空间释放还给系统. 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的运用该对于内存的合理运用与运用的灵活性有很大的帮

助，我们 再也不必害怕空间不足而一开始就要求一个大块头的array了，我们可以安心地使用vector，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旧有空间满载，如果客户端每增加一个元素，vector内部

只 是扩充了一个元素的空间，实为不智,因为所谓扩充空间，一如稍早所说，是""配置新空间/数据移动/释放旧空间"的大工程，时间成本很高，应该加

入 某种未雨绸缪的考虑，稍后我们便可以看到SGI vector的空间配置策略. 首先看看vector的源代码摘要:

template <class T, class Alloc = alloc>
    class vector {
    public:
    
    	//迭代器的五种类型
    	typedef T value_type;
    	typedef value_type* pointer;
    	typedef const value_type* const_pointer;
    
    	typedef value_type* iterator;
    	typedef const value_type* const_iterator;
    
    	typedef value_type& reference;
    	typedef const value_type& const_reference;
    
    	typedef size_t size_type;
    
    	typedef ptrdiff_t difference_type;
    
    #ifdef __STL_CLASS_PARTIAL_SPECIALIZATION
    	typedef reverse_iterator<const_iterator> const_reverse_iterator;
    	typedef reverse_iterator<iterator> reverse_iterator;
    #else /* __STL_CLASS_PARTIAL_SPECIALIZATION */
    	typedef reverse_iterator<const_iterator, value_type, const_reference,
    		difference_type>  const_reverse_iterator;
    	typedef reverse_iterator<iterator, value_type, reference, difference_type>
    		reverse_iterator;
    #endif /* __STL_CLASS_PARTIAL_SPECIALIZATION */
    protected:
    
    	//在这里就用到了我们的空间配置器.
    	typedef simple_alloc<value_type, Alloc> data_allocator; //前面是有博客的
    
    	//这里vector维护3个迭代器. 分别指向申请到内存的头部，vector利用到的地方 和 vector申请到内存结束的地方.
    	iterator start; //头.
    	iterator finish;//使用位置.
    	iterator end_of_storage;//申请到内存结束的地方.
    
    
    	void insert_aux(iterator position, const T& x);
    	void deallocate() {
    		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;
    		end_of_storage = finish;
    	}
    public:
    	//这些begin end rend rbegin 不解释！
    	iterator begin() { return start; }
    	const_iterator begin() const { return start; }
    	iterator end() { return finish; }
    	const_iterator end() const { return finish; }
    	reverse_iterator rbegin() { return reverse_iterator(end()); }
    	const_reverse_iterator rbegin() const {
    		return const_reverse_iterator(end());
    	}
    	reverse_iterator rend() { return reverse_iterator(begin()); }
    	const_reverse_iterator rend() const {
    		return const_reverse_iterator(begin());
    	}
    
    	size_type size() const { return size_type(end() - begin()); } //元素个数
    	size_type max_size() const { return size_type(-1) / sizeof(T); } //最大元素个数
    	size_type capacity() const { return size_type(end_of_storage - begin()); } //容量
    	bool empty() const { return begin() == end(); } //是否为空
    	reference operator
    		[](size_type n) {
    		return *(begin() + n);
    	}
    	const_reference operator[](size_type n) const { return *(begin() + n); } //支持随机访问.
    
    	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); }
    	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;
    	}
    
    #ifdef __STL_MEMBER_TEMPLATES
    	template <class InputIterator>
    	vector(InputIterator first, InputIterator last) :
    		start(0), finish(0), end_of_storage(0)
    	{
    		range_initialize(first, last, iterator_category(first));
    	}
    #else /* __STL_MEMBER_TEMPLATES */
    	vector(const_iterator first, const_iterator last) {
    		size_type n = 0;
    		distance(first, last, n);
    		start = allocate_and_copy(n, first, last);
    		finish = start + n;
    		end_of_storage = finish;
    	}
    #endif /* __STL_MEMBER_TEMPLATES */
    	~vector() { //这是vector的一个member function
    		destroy(start, finish);
    		deallocate();
    	}
    
    	reference front() { return *begin(); } //第一个元素的引用.
    	const_reference front() const { return *begin(); } 
    	reference back() { return *(end() - 1); } //最后一个元素的引用.
    	const_reference back() const { return *(end() - 1); }
    	void push_back(const T& x) {
    		if (finish != end_of_storage) {
    			construct(finish, x);
    			++finish;
    		}
    		else
    			insert_aux(end(), x);
    	}
    	void insert(iterator pos, size_type n, const T& x);
    	void pop_back() {
    		--finish;
    		destroy(finish);
    	}
    	iterator erase(iterator position) {
    		if (position + 1 != end())
    			copy(position + 1, finish, position);
    		--finish;
    		destroy(finish);
    		return position;
    	}
    	void resize(size_type new_size) { resize(new_size, T()); }
    	void clear() { erase(begin(), end()); }
    
    protected:
    	//配置空间并且填满内容.
    	iterator allocate_and_fill(size_type n, const T& x) {
    		iterator result = data_allocator::allocate(n);
    		__STL_TRY{
    			uninitialized_fill_n(result, n, x);
    			return result;
    		}
    		__STL_UNWIND(data_allocator::deallocate(result, n));
    	}

vector维护的是一块连续的线性空间，所以无论其元素型别为何，普通指针都可以作为vector的迭代器而满足所有必要条件，因为vector迭代器所需要

的操作行为，如operator\*，operator->，operator++,operator--,operator+,operator+=,operator-=，普通指针天数就具备. vector支持随机存取，

而普通指针正有这种能力. 所以，vector提供的是Random Access Iterators(如果不知道这个类型，可以看这个:

我们在上面可以看到: typedef value\_type\* iterator; //vector的迭代器是普通指针.

vector所采用的数据结构都非常的简单:线性连续空间.它以两个迭代器strat和finish分别指向配置得来的连续空间中目前已被使用的范围，并以迭代

器end\_of\_storage.指向整块连续空间的尾端.

为了降低空间配置时的速度成本，vector实际配置的大小可能比客户端需求量更大一些，以备将来可能的扩充，这便是容量的观念. 一个vector的容量

永远大于或等于其大小，一旦容量等于大小，便是满载，下次再新增元素，整个vector就得另寻居所了.

运用start,finish,end\_of\_storage三个迭代器，便可轻易地提供首位标示，大小，容量，空容器判断，标注运算子，最前端元素值，最后的元素值等

![20171221184125738][]

好的我们继续往下走，vector的构造和内存管理. 其实都可以在刚刚的源代码摘要中找到核心内容. 我们发现vector缺省使用alloc作为空间配置器，

并据此另外定义一个data\_allocator，为的是更方便以元素大小为配置单位:(如果对空间配置器不够了解可以看这篇博客: [源码剖析空间配置器][Link 1])

typedef simple_alloc<value_type, Alloc> data_allocator;

所以呢，data\_allocator::allocate(n) 表示配置n个元素空间.

vector提供许多constructors，其中一个允许我们指定空间大小及初值.

vector(size_type n, const T& value) { fill_initialize(n, value); }
    
    void fill_initialize(size_type n, const T& value) {//填充并初始化
    	start = allocate_and_fill(n, value);
    	finish = start + n;
    	end_of_storage = finish;
    }
    
    iterator allocate_and_fill(size_type n, const T& x) {//配置而后填充
    	iterator result = data_allocator::allocate(n);
    	__STL_TRY{
    		uninitialized_fill_n(result, n, x);
    		return result;
    	}
    	__STL_UNWIND(data_allocator::deallocate(result, n));
    }

uninitialized\_fill\_n()会根据第一参数的型别特征决定使用算法fill\_n()或反复调用construct()来完成任务.(这个函数也非常重要,如果有不明白

的人类！ 可以看这个博客: [内存基本处理工具函数源码剖析][Link 2] ) 当我们的push\_back()将新元素插入于vector尾端时，该函数首先检查是否还有备用空

间，如果有就直接在备用空间上构造元素，并调整迭代器finish 使vector变大. 如果没有备用空间了，就扩充空间(重新配置，移动数据，释放原空

间).

void push_back(const T& x) {
    	if (finish != end_of_storage) {
    		construct(finish, x);
    		++finish;
    	}
    	else
    		insert_aux(end(), x);
    }
    
    template <class T, class Alloc>
    void vector<T, Alloc>::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函数，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; //这句仔细看！！！！
    		iterator new_start = data_allocator::allocate(len); //实际配置的空间.
    		iterator new_finish = new_start;
    		__STL_TRY{
    			//将原vector的内容拷贝至新的vector.
    			new_finish = uninitialized_copy(start, position, new_start);
    			//为新元素设定初值x.
    			construct(new_finish, x);
    			++new_finish;
    
    			//将安插点的原内容也拷贝过来.
    			new_finish = uninitialized_copy(position, finish, new_finish);
    		}
    
    #       ifdef  __STL_USE_EXCEPTIONS 
    		catch (...) {
    			//析构并释放原vector
    			destroy(new_start, new_finish);
    			data_allocator::deallocate(new_start, len);
    			throw;
    		}
    #       endif /* __STL_USE_EXCEPTIONS */
    
    		//调整迭代器，指向新的vector.
    		destroy(begin(), end());
    		deallocate();
    		start = new_start;
    		finish = new_finish;
    		end_of_storage = new_start + len;
    	}
    }

注意，所谓动态增加大小，并不是在原空间之后接连续新空间，而是以原大小的两倍另外配置一块较大空间，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，对任何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

员容易犯的错误，务必小心. 下面是插入的过程： (注意看一共分几种情况，然后各种情况下都是如何解决的)!

template <class T, class Alloc>
    //从position开始，插入n个元素，元素初值为x。
    void vector<T, Alloc>::insert(iterator position, size_type n, const T& x) {
    	if (n != 0) { //当n != 0的时候 才进行以下所有操作
    		if (size_type(end_of_storage - finish) >= n) {
    			//备用空间大于 等于 "新增元素个数"
    			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;
    				copy_backward(position, old_finish - n, old_finish); //从后往前拷贝.
    				fill(position, position + n, x_copy);
    			}
    			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 {
    			//备用空间小于 "新增元素个数"
    			//首先决定新长度: 旧长度的两倍，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);
    				//以下再将新增元素填入新空间.
    				new_finish = uninitialized_fill_n(new_finish, n, x);
    				//以下再将就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 (...) {
    				//以下清楚并释放旧的vector
    				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;
    		}
    	}
    }

vector的删除功能，resize功能，以及clear功能的源代码:

void pop_back() {
        --finish;
        destroy(finish);
      }
      iterator erase(iterator position) {
    	//后面将你覆盖掉.
        if (position + 1 != end())
          copy(position + 1, finish, position);
        --finish;
        destroy(finish);
        return position;
      }
      iterator erase(iterator first, iterator last) {
    	//先将last,finish的值拷贝赋值到first开始的位置,然后再删除掉i以后的所有空间.
        iterator i = copy(last, finish, first);
        destroy(i, finish);
        finish = finish - (last - first);
        return first;
      }
      void resize(size_type new_size, const T& x) {
    	//如果新空间大小小于size 就裁去多余的 如果新空间大于size那么就将这些插入.
        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()); }

更多全面的stl\_vector源码->我的github:[stl\_vector源代码][stl_vector] 大家尽情的阅读吧.

[20171221184125738]: /images/20220603/fcf4a165f9694fcf82b5de86ce189cc3.png
[Link 1]: http://blog.csdn.net/dawn_sf/article/details/78774275
[Link 2]: http://blog.csdn.net/dawn_sf/article/details/78867864
[stl_vector]: https://github.com/honeyMT/STL/blob/master/stl_vector/stl_vector.h