C++ 《STL源码剖析》vector学习
写在前面：
以前竞赛只是会用vector的接口函数，这次深入了解下
参考博客：https://www.cnblogs.com/IamTing/p/4605820.html
vector源码摘录：
无空间配置器部分
#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); } 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); } 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; } 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; } } 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; } } } };
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。
总结：
vector的各种操作其实离不开四个操作 堆内存的申请和释放 对象的创建和摧毁
我们在使用vector的时候 应该处理好初始大小问题 vector虽然为动态数组 但是它调整大小的代价很大
所谓动态调整大小，并不是在原vector后面添加新空间，而是申请两倍长度的vector新空间 然后将原本vector数据复制到新vector上。
对vector的任何操作 如果引起了新的空间配置 那么指向vector的所有迭代器都会失效了
