C++ 《STL源码剖析》学习-vector
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。
讲完push_back()函数，我们再看看pop_back()函数吧。
void pop_back() { --finish(); // 将尾端迭代器往前移一格,表示将放弃尾端元素 destroy(finish); // 析构对象 }
相比push_back()函数，pop_back()函数简单多了，这里就不再叙述。
到这里，对vector已经有了基本的认识了，当然还有一些函数，如erase()，就不再展开了，其实都是离不开四个主要操作：堆空间的申请与释放，对象的创建与销毁。
当然了，知道了不一定意味着用得好，平时还是要多加总结和训练的。
加油吧～～朝着一个新高度前进~~
