stl vector源码剖析

前言

     项目组要实现一个算法库，其中涉及到了类似vector的一维数组的实现。特此，对stl中得vector做个学习和了解。有任何问题，欢迎不吝指正。谢谢。

一、如何实现vector   

     如果给你一道面试题，如何用数据结构实现STL中vector的功能？聪明的你会怎么做呢?或许你会如下所述：

• 或许，如果不考虑分配效率，只需要两个成员就可以实现了
  template
  class   Vector
  {
  public:
          Vector(int   nLen=0):m_nLen(nLen),m_Data(NULL)
          {
                  if(nLen   >   0)
                  {
                          m_Data   =   new   _Ty[nLen];
                  }
          }
  protected:
          _Ty   *   m_Data;
          int       m_nLen;
  };
• 或许，如下一个简单的思路实现：
  
  #include  
  
  using   std::ostream;
  using   std::istream;
  
  class   Array   {
        friend   ostream   &operator < <(   ostream   &,   const   Array   &   );
        friend   istream   &operator> > (   istream   &,   Array   &   );
  
  public:
        Array(   int   =   10   );            
        Array(   const   Array   &   );  
        ~Array();                              
        int   getSize()   const;          
  
        const   Array   &operator=(   const   Array   &   );  
        bool   operator==(   const   Array   &   )   const;    
  
        bool   operator!=(   const   Array   &right   )   const    
        {  
              return   !   (   *this   ==   right   );  
       
        }  
       
        int   &operator[](   int   );                            
        const   int   &operator[](   int   )   const;    
       
  private:
        int   size;  
        int   *ptr;  
  
  };
• 或许你会说，应该用模板写。当数组大小变化时，就直接new   当前大小，将旧有的或拷贝或加入新的东西加入，然后删除旧有的m_pData;并更新m_nLen;
  当数据大小不变化时，直接使用m_pData;。如果考虑分配效率，则还需要一个成员存储m_nMaxLen;实际的分配大小。 要记住一定删除旧的m_pData就可以。

    很快，你就会意识到，与其这样不知方向的摸着石头过河，不如直接拿来stl里的vector实现代码，来瞧个究竟。ok，下面，咱们来剖析下stl vector的实现。其中的分析借助了侯捷先生的stl源码剖析（大凡研究sgi stl源码，此书都不容忽略），然后再加入一些自己的理解。希望对你有所帮助（下面咱们分析的版本是sgi stl v2.9版）。

二、vector的类定义

    以下是vector定义的类中的一些数据成员和部分成员函数：

template // 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 所服务的5個型别。 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::iterator is; is 的型別其实就是Shape* 而STL 內部运用 iterator_traits::reference 时，获得 Shape& 运用iterator_traits::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 typedef simple_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() { 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 finish = start + n; // 调整水位 end_of_storage = finish; // 调整水位 }

  下面是另外一些成员操作函数的具体实现，

public: 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()); } size_type size() const { return size_type(end() - begin()); } size_type max_size() const { return size_type(-1) / sizeof(T); } 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); } vector() : start(0), finish(0), end_of_storage(0) {} // 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()); } vector(const vector& x) { start = allocate_and_copy(x.end() - x.begin(), x.begin(), x.end()); finish = start + (x.end() - x.begin()); end_of_storage = finish; } template vector(InputIterator first, InputIterator last) : start(0), finish(0), end_of_storage(0) { range_initialize(first, last, iterator_category(first)); } 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() { destroy(start, finish); // 全域函式，建构/解构基本工具。 deallocate(); // 先前定义好的成员函式 } vector& operator=(const vector& 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; } }

三、vector中insert的实现    

    纷纷扰扰的细节，咱们一概忽略，最后，咱们来具体分析vector中insert（插入）一个元素的实现：

// 從 position 开始，安插 n 個元素，元素初值为 x template void vector::insert(iterator position, size_type n, const T& x) { if (n != 0) { // 当 n != 0 才進行以下所有动作 if (size_type(end_of_storage - finish) >= n) { // 借用空间大于等于 「新增元素个数」 T x_copy = x; // 以下計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：整体后移 finish += n; //将vector 尾端标记后移 copy_backward(position, old_finish - n, old_finish); //插入点元素A后移至A‘，position->old—finish后移至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); //1.新增元素x_copy插入至finish处 finish += n - elems_after; //2.finish后移n_elems_after uninitialized_copy(position, old_finish, finish); //3.腾出空间，position->old_finish finish += elems_after; //4.finish再次后移 fill(position, old_finish, x_copy); //5.插入新元素，（x_copy）position->old_finish } } else { // 借用空間小于「新增元素个数」（那就必须配置额外的内存） // 首先決定新长度：旧长度的兩倍，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 空間 iterator new_start = data_allocator::allocate(len); iterator new_finish = new_start; __STL_TRY { // 以下首先将旧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); // 以下再將旧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(...) { // 如有异常发生，实现 "commit or rollback" semantics. destroy(new_start, new_finish); data_allocator::deallocate(new_start, len); throw; } # endif /* __STL_USE_EXCEPTIONS */ // 以下清除并释放旧的 vector destroy(start, finish); deallocate(); // 以下調整水位标记 start = new_start; finish = new_finish; end_of_storage = new_start + len; } } }

    我想，如果本文只是单单给出上面的代码，你一定内心非常愤懑，道：晕，又是一篇什么鬼剖析，就一大堆代码加注释，看上去就是一堆乱码，有什么意思嘛。是的，我想，读者肯定并没有看懂上述insert的实现，那么，下面，请允许我引用stl源码剖析一书里面的三张图片，相信，看过图片之后，您就会对vector中insert的实现清晰不少了：

    如下图4-3b-1所示的情况是，备用空间为2，新增元素也为2，所以，备用空间>=新增元素个数，而插入点之后的元素个数为3大于新增元素个数2（原有元素个数3个+备用空间为2，共5个存储单位）。此种情况的处理方式是，相当于将插入点之后的原有的3个元素整体向后移2个单位，然后把要新增的2个元素从插入点处插入，刚好满足新增的2个元素加上原有的3个元素共同存储在5个单位的空间中。

 

    如下图4-3b-2所示，插入点之后的现有元素个数2<=新增元素个数3，此种情况的处理方式为：相当于将插入点之后的原有的3个元素整体向后移三个单位，然后把新增的3个元素从原插入点处插入：

    如果原有空间不够，那么vector将实施所谓的动态增加大小，而动态增加大小，并不是指在原空间之后接连续新空间（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，这点可以从上述insert的实现中的第二部分，当借用空間小于「新增元素個數」（那就必须配置额外的内存）可以看出来。

    如下图4-3b-3所示（另外，必须提醒的是，经过上述操作后，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。这是一般人会犯的错误，务必小心。 --侯捷如是说）：

四、vector的扩展

    最后，我再贴一段代码，相当于是vector的高效应用（或者说是拓展）：

/* Copyright (c) 2007-2011 iMatix Corporation Copyright (c) 2007-2011 Other contributors as noted in the AUTHORS file This file is part of 0MQ. 0MQ is free software; you can redistribute it and/or modify it under the terms of the GNU Lesser General Public License as published by the Free Software Foundation; either version 3 of the License, or (at your option) any later version. 0MQ is distributed in the hope that it will be useful, but WITHOUT ANY WARRANTY; without even the implied warranty of MERCHANTABILITY or FITNESS FOR A PARTICULAR PURPOSE. See the GNU Lesser General Public License for more details. You should have received a copy of the GNU Lesser General Public License along with this program. If not, see < http://www.gnu.org/licenses/>. */ #ifndef __ZMQ_ARRAY_INCLUDED__ #define __ZMQ_ARRAY_INCLUDED__ #include #include //w++ //从个人风格上来讲，一般要拒绝这种类中成员函数全部内联的用法。 namespace zmq { // Base class for objects stored in the array. Note that each object can // be stored in at most one array. class array_item_t { public: inline array_item_t () : array_index (-1) { } // The destructor doesn't have to be virtual. It is mad virtual // just to keep ICC and code checking tools from complaining. inline virtual ~array_item_t () { } inline void set_array_index (int index_) { array_index = index_; } inline int get_array_index () { return array_index; } private: int array_index; array_item_t (const array_item_t&); const array_item_t &operator = (const array_item_t&); }; // stl vector是一种简单高效的容器，在尾端插入和删除元素，算法时间复杂度为O(1)常数阶，其他元素的插入和删除为O(n)线性阶， // 其中n为vector容器的元素个数。vector具有自动的内存管理功能，对于元素的插入和删除，可动态调整所占用的内存空间。 // Fast array implementation with O(1) access to item, insertion and // removal. Array stores pointers rather than objects. The objects have // to be derived from array_item_t class. template class array_t { public: typedef typename std::vector ::size_type size_type; inline array_t () { } inline ~array_t () { } inline size_type size () { return items.size (); } inline bool empty () { return items.empty (); } inline T *&operator [] (size_type index_) { return items [index_]; } inline void push_back (T *item_) { if (item_) item_->set_array_index (items.size ()); items.push_back (item_); } inline void erase (T *item_) { erase (item_->get_array_index ()); } inline void erase (size_type index_) { if (items.back ())//back函数返回最末一个元素的引用 items.back ()->set_array_index (index_); items [index_] = items.back (); items.pop_back (); } inline void swap (size_type index1_, size_type index2_) { //交换序号和内容 if (items [index1_]) items [index1_]->set_array_index (index2_); if (items [index2_]) items [index2_]->set_array_index (index1_); std::swap (items [index1_], items [index2_]); } inline void clear () { items.clear (); } inline size_type index (T *item_) { return (size_type) item_->get_array_index (); } private: typedef std::vector items_t; items_t items; array_t (const array_t&); const array_t &operator = (const array_t&); }; } #endif

    说明：@555，在webkit中的WTF模块中，它里面的vector是直接放弃了STL的vector,它是利用google的tcmalloc来管理内存的，比stl的高效。

    参考：侯捷先生的stl源码剖析。

    ok，如果有任何问题，欢迎不吝指正。完。

转载于:https://www.cnblogs.com/myitworld/archive/2011/08/12/2214623.html