STL源码解析—vector

vector的数据安排和操作方式类似于C++内置数组类型array，唯一的区别就是在于空间的灵活运用。内置数组array是静态空间，一旦分配了内存空间就不能改变，而vector容器可以根据用户数据的变化而不断调整内存空间的大小。

vector容器有已使用空间和可用空间，已使用空间是指vector容器的大小，可用空间是指vector容器可容纳的最大数据空间capacity。vector容器是占用一段连续线性空间，所以vector容器的迭代器就等价于原生态的指针；vector的实现依赖于内存的配置和内存的初始化，以及迭代器。其中内存的配置是最重要的，因为每当配置内存空间时，可能会发生数据移动，回收旧的内存空间，如果不断地重复这些操作会降低操作效率，所有vector容器在分配内存时，并不是用户数据占多少就分配多少，它会分配一些内存空间留着备用，即是用户可用空间。

       vector容器采用的是线性连续空间的数据结构，使用两个迭代器来管理这片连续内存空间，这两个迭代器分别是指向目前使用空间的头start和指向目前使用空间的尾finish，两个迭代器的范围[start,finish)表示容器的大小size()。由于为了提高容器的访问效率，为用户分配内存空间时，会分配多余的备用空间，即容器的容量，以迭代器end_of_storage作为可用空间的尾，则容器的容量capacity()为[start,end_of_storage)范围的线性连续空间。

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1. //Alloc是SGI STL的空间配置器，默认是第二级配置器  
2. template <class _Tp, class _Alloc = __STL_DEFAULT_ALLOCATOR(_Tp) >  
3. class vector : protected _Vector_base<_Tp, _Alloc>   
4. {  
5.        ...  
6. protected:  
7.   _Tp* _M_start;//表示目前使用空间的头  
8.   _Tp* _M_finish;//表示目前使用空间的尾  
9.   _Tp* _M_end_of_storage;//表示目前可用空间的尾    
10.     ...  
11. };  

    下面给出vector的数据结构图：

   vector容器维护的空间的线性连续的，所以普通指针也可以作为迭代器，满足vector的访问操作；如：operator*，operator->，operator++，operator--，operator+，operator-，operator+=，operator-=等操作；同时vector容器支持随机访问，所以，vector提供的是随机访问迭代器。

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1. //Alloc是SGI STL的空间配置器，默认是第二级配置器  
2. template <class _Tp, class _Alloc = __STL_DEFAULT_ALLOCATOR(_Tp) >  
3. class vector : protected _Vector_base<_Tp, _Alloc>   
4. {  
5.     
6. public://vector的内嵌型别定义,是iterator_traits<I>服务的类型  
7.   typedef _Tp value_type;  
8.   typedef value_type* pointer;  
9.   typedef const value_type* const_pointer;  
10.   typedef value_type* iterator;//vector容器的迭代器是普通指针  
11.   typedef const value_type* const_iterator;  
12.   ...  
13.   
14.   public://以下定义vector迭代器  
15.   iterator begin() { return _M_start; }//指向已使用空间头的迭代器  
16.   const_iterator begin() const { return _M_start; }  
17.   iterator end() { return _M_finish; }//指向已使用空间尾的迭代器  
18.   const_iterator end() const { return _M_finish; }  
19.   
20.   reverse_iterator rbegin()  
21.     { return reverse_iterator(end()); }  
22.   const_reverse_iterator rbegin() const  
23.     { return const_reverse_iterator(end()); }  
24.   reverse_iterator rend()  
25.     { return reverse_iterator(begin()); }  
26.   const_reverse_iterator rend() const  
27.     { return const_reverse_iterator(begin()); }  
28.     ...  
29. };  

这里把vector容器的构造函数列出来讲解

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1.  /*以下是vector容器的构造函数******************************************* 
2. /********************************************************************** 
3. *** //默认构造函数***************************************************** 
4. *   explicit vector( const Allocator& alloc = Allocator() );          * 
5. *** //具有初始值和容器大小的构造函数*********************************** 
6. *   explicit vector( size_type count,                                 * 
7. *                 const T& value = T(),                               * 
8. *                 const Allocator& alloc = Allocator());              * 
9. *         vector( size_type count,                                    * 
10. *                 const T& value,                                     * 
11. *                 const Allocator& alloc = Allocator());              * 
12. *** //只有容器大小的构造函数******************************************* 
13. *   explicit vector( size_type count );                               * 
14. *** //用两个迭代器区间表示容器大小的构造函数*************************** 
15. *   template< class InputIt >                                         * 
16. *   vector( InputIt first, InputIt last,                              * 
17. *        const Allocator& alloc = Allocator() );                      *   
18. *** //拷贝构造函数***************************************************** 
19. *   vector( const vector& other );                                    * 
20. *   vector( const vector& other, const Allocator& alloc );            *  
21. *** //移动构造函数***************************************************** 
22. *   vector( vector&& other );                                         * 
23. *   vector( vector&& other, const Allocator& alloc );                 * 
24. *** //用初始列表的值构造容器，列表内的元素值可以不同******************* 
25. *   vector( std::initializer_list<T> init,                            * 
26. *        const Allocator& alloc = Allocator() );                      * 
27. ***********************************************************************/   
28.   explicit vector(const allocator_type& __a = allocator_type())  
29.     : _Base(__a) {}//默认构造函数  
30.   
31.   vector(size_type __n, const _Tp& __value,  
32.          const allocator_type& __a = allocator_type())   
33.     : _Base(__n, __a)//构造函数，里面包含n个初始值为value的元素  
34.     //全局函数，填充值函数，即从地址M_start开始连续填充n个初始值为value的元素  
35.     { _M_finish = uninitialized_fill_n(_M_start, __n, __value); }  
36.   
37.   explicit vector(size_type __n)//该构造函数不接受初始值，只接受容易包含元素的个数n  
38.     : _Base(__n, allocator_type())  
39.     { _M_finish = uninitialized_fill_n(_M_start, __n, _Tp()); }  
40.   
41.   vector(const vector<_Tp, _Alloc>& __x)   
42.     : _Base(__x.size(), __x.get_allocator())//拷贝构造函数  
43.     { _M_finish = uninitialized_copy(__x.begin(), __x.end(), _M_start); }  
44.   
45. #ifdef __STL_MEMBER_TEMPLATES  
46.   // Check whether it's an integral type.  If so, it's not an iterator.  
47.   /*这个是某个区间的构造函数，首先判断输入是否为整数_Integral() 
48.   *采用__type_traits技术 
49.   */  
50.   template <class _InputIterator>  
51.   vector(_InputIterator __first, _InputIterator __last,  
52.          const allocator_type& __a = allocator_type()) : _Base(__a) {  
53.     typedef typename _Is_integer<_InputIterator>::_Integral _Integral;  
54.     _M_initialize_aux(__first, __last, _Integral());  
55.   }  
56.   
57.   template <class _Integer>  
58.   //若输入为整数，则调用该函数  
59.   void _M_initialize_aux(_Integer __n, _Integer __value, __true_type) {  
60.     _M_start = _M_allocate(__n);  
61.     _M_end_of_storage = _M_start + __n;   
62.     _M_finish = uninitialized_fill_n(_M_start, __n, __value);  
63.   }  
64.   
65.   template <class _InputIterator>  
66.   //若输入不是整数，则采用Traits技术继续判断迭代器的类型  
67.   void _M_initialize_aux(_InputIterator __first, _InputIterator __last,  
68.                          __false_type) {  
69.     _M_range_initialize(__first, __last, __ITERATOR_CATEGORY(__first));  
70.   }  
71.   
72. #else  
73.   vector(const _Tp* __first, const _Tp* __last,  
74.          const allocator_type& __a = allocator_type())  
75.     : _Base(__last - __first, __a)   
76.     { _M_finish = uninitialized_copy(__first, __last, _M_start); }  
77. #endif /* __STL_MEMBER_TEMPLATES */  
78.   
79.   ~vector() { destroy(_M_start, _M_finish); }//析构函数  

   vector容器的成员函数使我们访问容器时经常会用到，为了加深对其了解，这里单独对成员函数源码进行了详细的注解。

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1.     /*以下是容器的一些成员函数*/  
2.   size_type size() const//vector容器大小(已使用空间大小)，即容器内存储元素的个数  
3.     { return size_type(end() - begin()); }  
4.   size_type max_size() const//返回可容纳最大元素数  
5.     { return size_type(-1) / sizeof(_Tp); }  
6.   size_type capacity() const//vector容器可用空间的大小  
7.     { return size_type(_M_end_of_storage - begin()); }  
8.   bool empty() const//判断容器是否为空  
9.     { return begin() == end(); }  
10.   
11.   reference operator[](size_type __n) { return *(begin() + __n); }//返回指定位置的元素  
12.   const_reference operator[](size_type __n) const { return *(begin() + __n); }  
13.   
14. #ifdef __STL_THROW_RANGE_ERRORS  
15.   //若用户要求的空间大于可用空间，抛出错去信息，即越界检查  
16.   void _M_range_check(size_type __n) const {  
17.     if (__n >= this->size())  
18.       __stl_throw_range_error("vector");  
19.   }  
20.   
21.   reference at(size_type __n)//访问指定元素，并且进行越界检查  
22.     { _M_range_check(__n); return (*this)[__n]; }//访问前，先进行越界检查  
23.   const_reference at(size_type __n) const  
24.     { _M_range_check(__n); return (*this)[__n]; }  
25. #endif /* __STL_THROW_RANGE_ERRORS */  
26.   
27.     void reserve(size_type __n) {//改变可用空间内存大小  
28.     if (capacity() < __n) {  
29.       const size_type __old_size = size();  
30.       //重新分配大小为n的内存空间，并把原来数据复制到新分配空间  
31.       iterator __tmp = _M_allocate_and_copy(__n, _M_start, _M_finish);  
32.       destroy(_M_start, _M_finish);//释放容器元素对象  
33.       _M_deallocate(_M_start, _M_end_of_storage - _M_start);//回收原来的内存空间  
34.       //调整迭代器所指的地址,因为原来迭代器所指的地址已经失效  
35.       _M_start = __tmp;  
36.       _M_finish = __tmp + __old_size;  
37.       _M_end_of_storage = _M_start + __n;  
38.     }  
39.   }  
40.   
41.   reference front() { return *begin(); }//返回第一个元素  
42.   const_reference front() const { return *begin(); }  
43.   reference back() { return *(end() - 1); }//返回容器最后一个元素  
44.   const_reference back() const { return *(end() - 1); }  
45.   
46.   void push_back(const _Tp& __x) {//在最尾端插入元素  
47.     if (_M_finish != _M_end_of_storage) {//若有可用的内存空间  
48.       construct(_M_finish, __x);//构造对象  
49.       ++_M_finish;  
50.     }  
51.     else//若没有可用的内存空间,调用以下函数，把x插入到指定位置  
52.       _M_insert_aux(end(), __x);  
53.   }  
54.   void push_back() {  
55.     if (_M_finish != _M_end_of_storage) {  
56.       construct(_M_finish);  
57.       ++_M_finish;  
58.     }  
59.     else  
60.       _M_insert_aux(end());  
61.   }  
62.   void swap(vector<_Tp, _Alloc>& __x) {  
63.       /*交换容器的内容 
64.       *这里使用的方法是交换迭代器所指的地址 
65.       */  
66.     __STD::swap(_M_start, __x._M_start);  
67.     __STD::swap(_M_finish, __x._M_finish);  
68.     __STD::swap(_M_end_of_storage, __x._M_end_of_storage);  
69.   }  
70.   
71.   iterator insert(iterator __position, const _Tp& __x) {//把x值插入到指定的位置  
72.     size_type __n = __position - begin();  
73.     if (_M_finish != _M_end_of_storage && __position == end()) {  
74.       construct(_M_finish, __x);  
75.       ++_M_finish;  
76.     }  
77.     else  
78.       _M_insert_aux(__position, __x);  
79.     return begin() + __n;  
80.   }  
81.   iterator insert(iterator __position) {  
82.     size_type __n = __position - begin();  
83.     if (_M_finish != _M_end_of_storage && __position == end()) {  
84.       construct(_M_finish);  
85.       ++_M_finish;  
86.     }  
87.     else  
88.       _M_insert_aux(__position);  
89.     return begin() + __n;  
90.   }  
91.   
92.   void insert (iterator __pos, size_type __n, const _Tp& __x)  
93.     { //在pos位置连续插入n个初始值为x的元素  
94.         _M_fill_insert(__pos, __n, __x); }  
95.   
96.   void _M_fill_insert (iterator __pos, size_type __n, const _Tp& __x);  
97.   
98.   void pop_back() {//取出最尾端元素  
99.     --_M_finish;  
100.     destroy(_M_finish);//析构对象  
101.   }  
102.   iterator erase(iterator __position) {//擦除指定位置元素  
103.     if (__position + 1 != end())  
104.       copy(__position + 1, _M_finish, __position);//后续元素前移一位  
105.     --_M_finish;  
106.     destroy(_M_finish);//析构对象  
107.     return __position;  
108.   }  
109.   iterator erase(iterator __first, iterator __last) {//擦除两个迭代器区间的元素  
110.     iterator __i = copy(__last, _M_finish, __first);//把不擦除的元素前移  
111.     destroy(__i, _M_finish);//析构对象  
112.     _M_finish = _M_finish - (__last - __first);//调整finish的所指的位置  
113.     return __first;  
114.   }  
115.   
116.   void resize(size_type __new_size, const _Tp& __x) {//改变容器中可存储的元素个数，并不会分配新的空间  
117.     if (__new_size < size()) //若调整后的内存空间比原来的小  
118.       erase(begin() + __new_size, end());//擦除多余的元素  
119.     else  
120.       insert(end(), __new_size - size(), __x);//比原来多余的空间都赋予初值x  
121.   }  
122.   void resize(size_type __new_size) { resize(__new_size, _Tp()); }  
123.   void clear() { erase(begin(), end()); }//清空容器  
124.      // assign(), a generalized assignment member function.  Two  
125.   // versions: one that takes a count, and one that takes a range.  
126.   // The range version is a member template, so we dispatch on whether  
127.   // or not the type is an integer.  
128.   
129.   /*该函数有两种类型： 
130.     void assign( size_type count, const T& value ); 
131.  
132.     template< class InputIt > 
133.     void assign( InputIt first, InputIt last ); 
134.     */  
135.   
136.   //把容器内容替换为n个初始值为value  
137.   void assign(size_type __n, const _Tp& __val) { _M_fill_assign(__n, __val); }  
138.   void _M_fill_assign(size_type __n, const _Tp& __val);  
139.   
140. #ifdef __STL_MEMBER_TEMPLATES  
141.     
142.   template <class _InputIterator>  
143.   void assign(_InputIterator __first, _InputIterator __last) {  
144.     typedef typename _Is_integer<_InputIterator>::_Integral _Integral;  
145.     _M_assign_dispatch(__first, __last, _Integral());  
146.   }  
147.   
148.   template <class _Integer>  
149.   void _M_assign_dispatch(_Integer __n, _Integer __val, __true_type)  
150.     { _M_fill_assign((size_type) __n, (_Tp) __val); }  
151.   
152.   template <class _InputIter>  
153.   void _M_assign_dispatch(_InputIter __first, _InputIter __last, __false_type)  
154.     { _M_assign_aux(__first, __last, __ITERATOR_CATEGORY(__first)); }  
155.   
156.   template <class _InputIterator>  
157.   void _M_assign_aux(_InputIterator __first, _InputIterator __last,  
158.                      input_iterator_tag);  
159.   
160.   template <class _ForwardIterator>  
161.   void _M_assign_aux(_ForwardIterator __first, _ForwardIterator __last,  
162.                      forward_iterator_tag);   
163.   
164. #endif /* __STL_MEMBER_TEMPLATES */  

      根据以上成员函数的注释，这里对其中几个函数进一步详细的讲解：iterator erase(iterator __first, iterator __last)，void insert (iterator __pos, size_type __n, const _Tp& __x)；

    其中擦除函数是擦除输入迭代器之间的元素，但是没有回收内存空间，只是把内存空间作为备用空间，首先看下该函数的源代码：

[cpp] view plaincopy

1. iterator erase(iterator __first, iterator __last) {//擦除两个迭代器区间的元素  
2.    iterator __i = copy(__last, _M_finish, __first);//把不擦除的元素前移  
3.    destroy(__i, _M_finish);//析构对象  
4.    _M_finish = _M_finish - (__last - __first);//调整finish的所指的位置  
5.    return __first;  
6.  }  

            根据上面函数的定义，我们可以知道，迭代器start和end_of_storage并没有改变，只是调整迭代器finish，并析构待擦除元素对象；下面通过图解进行分析：

    插入元素函数是在指定位置position上连续插入n个初始值为x的元素，根据插入元素个数和可用空间大小的比较，分别进行不同的初始化，详细见源码分析：

[cpp] view plaincopy

1.   void insert (iterator __pos, size_type __n, const _Tp& __x)  
2.     { //在pos位置连续插入n个初始值为x的元素  
3.         _M_fill_insert(__pos, __n, __x); }  
4.    
5. template <class _Tp, class _Alloc>  
6. void vector<_Tp, _Alloc>::_M_fill_insert(iterator __position, size_type __n,   
7.                                          const _Tp& __x)  
8. {  
9.   if (__n != 0) {//当n不为0，插入才有效  
10.     if (size_type(_M_end_of_storage - _M_finish) >= __n) {//若有足够的可用空间,即备用空间不小于新插入元素个数  
11.       _Tp __x_copy = __x;  
12.       const size_type __elems_after = _M_finish - __position;//计算插入点之后的现有元素个数  
13.       iterator __old_finish = _M_finish;  
14.   
15.       //case1-a：插入点之后的现有元素个数大于新插入元素个数  
16.       if (__elems_after > __n) {  
17.         uninitialized_copy(_M_finish - __n, _M_finish, _M_finish);//把[finish-n,finish)之间的数据复制[finish,finish+n)  
18.         _M_finish += __n;//调整迭代器finish所指的位置  
19.         copy_backward(__position, __old_finish - __n, __old_finish);//把[position,old_finish-n)之间的数据复制[old_finish-n,old_finish)  
20.         fill(__position, __position + __n, __x_copy);//在指定位置(插入点)填充初始值  
21.       }  
22.   
23.       //case1-b：插入点之后的现有元素个数不大于新插入元素个数  
24.       else {  
25.         uninitialized_fill_n(_M_finish, __n - __elems_after, __x_copy);//先在可用空间填入n-elems_after个初始值x  
26.         _M_finish += __n - __elems_after;//调整迭代器finish  
27.         uninitialized_copy(__position, __old_finish, _M_finish);//把[position,old_finish)之间的数据复制到[old_finish,finish)  
28.         _M_finish += __elems_after;  
29.         fill(__position, __old_finish, __x_copy);  
30.       }  
31.     }  
32.   
33.     //case2：若备用空间小于新插入元素个数  
34.     else {//若备用空间小于新插入元素个数，则分配新的空间  
35.         //并把原始数据复制到新的空间，调整迭代器  
36.       const size_type __old_size = size(); //获取原始空间的大小    
37.       //新的空间为旧空间的两倍，或为旧空间+新增长元素个数  
38.       const size_type __len = __old_size + max(__old_size, __n);  
39.       //配置新的空间  
40.       iterator __new_start = _M_allocate(__len);  
41.       iterator __new_finish = __new_start;  
42.       __STL_TRY {//把插入点之前的原始数据复制到新的空间  
43.         __new_finish = uninitialized_copy(_M_start, __position, __new_start);  
44.         //将新加入数据添加在[new_finish,new_finish+n)  
45.         __new_finish = uninitialized_fill_n(__new_finish, __n, __x);  
46.         //将插入点之后的原始数据复制到新空间  
47.         __new_finish  
48.           = uninitialized_copy(__position, _M_finish, __new_finish);  
49.       }  
50.       //释放原来空间的对象和内存  
51.       __STL_UNWIND((destroy(__new_start,__new_finish),   
52.                     _M_deallocate(__new_start,__len)));  
53.       destroy(_M_start, _M_finish);  
54.       _M_deallocate(_M_start, _M_end_of_storage - _M_start);  
55.       //调整迭代器所指的位置  
56.       _M_start = __new_start;  
57.       _M_finish = __new_finish;  
58.       _M_end_of_storage = __new_start + __len;  
59.     }  
60.   }  
61. }  

    下面对不同情况利用图解方式对插入函数进行分析：

        case1-a：对应的源代码解析中的case1-a情况；

         case1-b：对应源码剖析中的case1-b情况：

       case2：针对源码剖析的case2情况：

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