STL源码剖析——vector

vector和array的区别：

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。

// alloc是SGI STL的空间配置器 template <class T, class Alloc = alloc>  // 预设使用 alloc 为配置器class vector {public:  // 以下标示 (1),(2),(3),(4),(5)，代表 iterator_traits<em> 所服务的5個型别。   // vector的嵌套类型定义,typedefs用于提供iterator_traits<I>支持   typedef T value_type;             // (1)  typedef value_type* pointer;          // (2)  typedef const value_type* const_pointer;  typedef const value_type* const_iterator;  typedef value_type& reference;        // (3)  typedef const value_type& const_reference;  typedef size_t size_type;  typedef ptrdiff_t difference_type;    // (4)  // 以下，由于vector 所维护的是一个连续线性空間，所以不论其元素型別为何，  // 原生指标都可以做为其迭代器而满足所有需求。  typedef value_type* iterator;  /* 根据上述写法，如果客户端写出如下的代码：      vector<shape>::iterator is;      is 的型別其实就是Shape*      而STL 內部运用 iterator_traits<is>::reference 时，获得 Shape&                 运用iterator_traits<is>::iterator_category 时，获得                      random_access_iterator_tag        (5)      （此乃iterator_traits 针对原生指标的特化结果）  */  //此处省略了一些与本文主题相关性不大的内容.......protected:  // 专属之空间配置器，每次配置一個元素大小  // 这个提供STL标准的allocator接口   typedef simple_alloc<value_type alloc=""> data_allocator;  // vector采用简单的连续线性空间。以两个迭代器start和end分別指向头尾，  // 并以迭代器end_of_storage指向容量尾端。容量可能比(尾-头)还大，  // 多余即借用空間。  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;  //表示目前可用空间的尾  void insert_aux(iterator position, const T& x);  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);  // 配置空间并设初值    // 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      finish = start + n;             // 调整水位    end_of_storage = finish;            // 调整水位  }public:  // 获取几种迭代器  iterator begin() { return start; }  const_iterator begin() const { return start; }  iterator end() { return finish; }  const_iterator end() const { return finish; }  reverse_iterator rbegin() { return reverse_iterator(end()); }  const_reverse_iterator rbegin() const {     return const_reverse_iterator(end());   }  reverse_iterator rend() { return reverse_iterator(begin()); }  const_reverse_iterator rend() const {     return const_reverse_iterator(begin());   }  // 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); }  const_reference operator[](size_type n) const { 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) {}////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////  // 本实作中给定个数和对象, 则只分配所需内存, 不会多分配  ////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////  //                    vector(size_type n, const T& value)  //                                   ↓  //                         fill_initialize(n, value)  //                                   ↓  //                        allocate_and_fill(n, value)  //                                   ↓  //          data_allocator::allocate(n)          <stl_alloc.h>  //          uninitialized_fill_n(result, n, x)  <stl_uninitialized.h>  ////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////  // 以下建模式，允許指定大小 n 和初值 value  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); }  explicit vector(size_type n) { fill_initialize(n, T()); }////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////  // 复制构造, 同样不会多分配内存  ////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////  //                     vector(const vector<T, Alloc>& x)  //                                   ↓  //         allocate_and_copy(x.end() - x.begin(), x.begin(), x.end());  //                                   ↓  //        data_allocator::allocate(n)              <stl_alloc.h>  //        uninitialized_copy(first, last, result); <stl_uninitialized.h>  ////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////  // 需要对象提供默认构造函数    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;  }////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////  // 复制一个区间进行构造, 可能会导致多分配内存  ////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////  //               vector(InputIterator first, InputIterator last)  //                                   ↓  //            range_initialize(first, last, iterator_category(first));  //                                   ↓  //                     for ( ; first != last; ++first)  //                         push_back(*first);  //            由于使用push_back()操作, 可能导致多次重复分配内存,个人感觉应该先  //            data_allocator::allocate((last - first) * sizeof(T));  //            然后uninitialized_copy(first, last, result);  //            这样不会多分配内存， 也不会导致多次重新分配内存问题  ////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////    template <class inputiterator>  vector(InputIterator first, InputIterator last) :    start(0), finish(0), end_of_storage(0)  {    range_initialize(first, last, iterator_category(first));  }////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////  // 复制一个区间进行构造, 可能会导致多分配内存  ////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////  //              vector(const_iterator first, const_iterator last)  //                                   ↓  //                        distance(first, last, n);  //                                   ↓  //                      allocate_and_copy(n, first, last);  //                                   ↓  //       data_allocator::allocate(n)               <stl_alloc.h>  //       uninitialized_copy(first, last, result);  <stl_uninitialized.h>  ////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////    vector(const_iterator first, const_iterator last) {    size_type n = 0;    distance(first, last, n);    start = allocate_and_copy(n, first, last);    finish = start + n;    end_of_storage = finish;  }#endif /* __STL_MEMBER_TEMPLATES */  ~vector() {     // 析构对象     destroy(start, finish);  // 全域函式，建构/解构基本工具。    // 释放内存     deallocate();   // 先前定义好的成员函式  }  ////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////  // 预留一定空间, 如果n < capacity(), 并不会减少空间  ////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////  //                          reserve(size_type n)  //                                   ↓  //                   allocate_and_copy(n, start, finish)  //                   destroy(start, finish);               <stl_construct.h>  //                   deallocate();  ////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////    vector<T, Alloc>& operator=(const vector<T, Alloc>& x);  void reserve(size_type n) {    if (capacity() < n) {      const size_type old_size = size();      iterator tmp = allocate_and_copy(n, start, finish);      destroy(start, finish);      deallocate();      start = tmp;      finish = tmp + old_size;      end_of_storage = start + n;    }  }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;      }      else        insert_aux(end(), x);    }    // 交换两个vector, 实际上是交换内部的状态指针    void swap(vector<T, Alloc>& x)    {      __STD::swap(start, x.start);      __STD::swap(finish, x.finish);      __STD::swap(end_of_storage, x.end_of_storage);    }      ////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////      // 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;          }          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;      }      // 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;          }      }      ////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////      // 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_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;              }          }      }  };