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; } else insert_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; } 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; } } } };
1 vector本质
vector数据结构如下，通过三个迭代器start, finish, end_of_storage的系列public接口，可很好地完成数据存储、溢出判断(iter >= iv.end())、大小、容量(容量与大小不等，以免不断申请空间耗费资源)、重载操作符[]、判空、最前元素、最后元素等等。
class vector{ … protected: iterator start ; iterator finish; iterator end_of_storage; public: iterator begin () { return start ; } iterator end() { return finish; } size_type size() const { return size_type( end() - begin()); } 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); } reference front () { return *begin(); } … }
由于vector是用连续空间存储数据，不断扩容将导致大量的新空间申请、元素拷贝和释放原有空间，十分耗时，vector申请空间时，都将多申请部分空间备用，如下图的[finish, end_of_storage)所示。只有当finish == end_of_storage时，再申请新的空间(2*capacity()), 图2就是在图1的基础上，再插入元素引起的空间变化时的数据存储情景。
图1 vector数据存储-1
在图1和图2中的start不再指向相同的地址，扩大空间是新请新的更大的空间，因而不仅是start迭代器，其它指向空间变化前vector的迭代器都将失效。此处极易引起bug。
图2 vector数据存储-2
2 vector常用方法与技巧
1、空间申请
构造函数、reserve()、resize()。
1: vector<int> iv(3, -1); 2: iv.reserve(10); 3: iv.resize(10, -1);
构造函数不述；
reserve(n)，申请空间，等同于扩大[finish, end_of_storage)，当n <= capacity()时，无效，可以理解为主要改变end_of_storage(或capacity)——reserve()匹配capacity()；
resize(10)，申请空间并赋值，等同于改变[start, finish)，可以理解为主要改变finish(或size())——resize()匹配size()。
2、空间释放
erase()、resize()、clear()均仅改变finish(或size())，不改变end_of_storage。
swap()释放空间——清空，改变end_of_storage:
vector<int> iv(10, -1); iv.reserve(500); vector<int>().swap(iv);//交换空间 cout<<iv.capacity()<<endl;//输出0
swap()释放空间——释放多余空间，改变end_of_storage:
vector<int> iv(10, -1); iv.reserve(500); vector<int>(iv).swap(iv);//交换空间 cout<<iv.capacity()<<endl;//输出10
3、resize()与operator []
operator []使得vector与array处理完全类似，但operator []极易引起异常与错误，如下：
vector<int> iv(); iv.reserve(500); iv[300] = -1; cout<<iv.capacity()<<endl;//输出500 cout<<iv.size()<<endl;//输出0
这里就引起了迭代器不符合预期，也不知道什么才是预期。建议用法为resize()与operator []一起使用，从而使得操作完全等同于array，且安全：
vector<int> iv(); iv.resize(500, 0); iv[300] = -1; cout<<iv.capacity()<<endl;//输出500 cout<<iv.size()<<endl;//输出500
4、vector迭代器
vector的迭代器十分简单，等同于指针，++、--、+n、-n、>、<、!=等操作都可应用——random access iterator，基本上全部stl algorithms均可以在此上应用。
PS：强烈不推荐使用>，<，≤，≥之类比较迭代器，遍历时直接使用!=即可，以免混于其它非random access iterator的容器。
参考资料：
1、侯捷. STL源码剖析;
2、侯捷. STL源码剖析注释;
对于同仁们的布道授业，一并感谢。
----