STL源码剖析--vector

vector容器概述
      vector的数据安排以及操作方式，与array非常相似。两者的唯一区别在于空间的运用的灵活性。array是静态空间，一旦配置了就不能改变；要换个大（或小）一点的房子，可以，一切琐细都得由客户端自己来：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的运用对于内存的合理利用与运用的灵活性有很大的帮助，我们再也不必因为害怕空间不足而一开始要求一个大块头的array了，我们可以安心使用array，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的旧有空间满载，如果客户端每新增一个元素，vector的内部只是扩充一个元素的空间，实为不智。因为所谓扩充空间（不论多大），一如稍早所说，是”配置新空间/数据移动/释还旧空间“的大工程，时间成本很高，应该加入某种未雨绸缪的考虑。稍后我们便可看到SGI vector的空间配置策略了。
      另外，由于vector维护的是一个连续线性空间，所以vector支持随机存取。
      注意：vector动态增加大小时，并不是在原空间之后持续新空间（因为无法保证原空间之后尚有可供配置的空间），而是以原大小的两倍另外配置一块较大的空间，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。这是程序员易犯的一个错误，务需小心。

以下是vector定义的源代码摘录：

#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); }////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////// 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;}elseinsert_aux(end(), x);}////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////// 在指定位置插入元素//////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////                   insert(iterator position, const T& x)//                                   |//                                   |------------ 容量是否足够 && 是否是end()?//                                   |//               -------------------------------------------//            No |                                         | Yes//               |                                         |//               ↓                                         ↓//    insert_aux(position, x);                  construct(finish, x);//               |                              ++finish;//               |-------- 容量是否够用?//               |//        --------------------------------------------------//    Yes |                                                | No//        |                                                |//        ↓                                                |// construct(finish, *(finish - 1));                       |// ++finish;                                               |// T x_copy = x;                                           |// copy_backward(position, finish - 2, finish - 1);        |// *position = x_copy;                                     |//                                                         ↓// 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>// destroy(begin(), end());                             <stl_construct.h>// deallocate();////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////iterator insert(iterator position, const T& x){size_type n = position - begin();if (finish != end_of_storage && position == end()){construct(finish, x);++finish;}elseinsert_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());elseinsert(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;}// 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 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vectornew_finish = uninitialized_copy(start, position, new_start);// 为新元素设定初值 xconstruct(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vectordestroy(begin(), end());deallocate();// 调整迭代器，指向新vectorstart = new_start;finish = new_finish;end_of_storage = new_start + len;}}////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////// 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 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_EXCEPTIONScatch(...){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;}}}};