理解STL之Vector容器

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：

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}
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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。

//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：

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：

#include <vector>vector<int> vec;
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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：

// 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：

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：

// 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：

// 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：

////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////// 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;  }}
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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：

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

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}
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• 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：

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

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：

////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////// 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;    }  }}
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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 
  

  

• 插入点之后的现有元素个数小于新增元素个数的情况 
  

  

• 剩下的内存不够分配，重新配置的情况 
  

  

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