C++ emplace_back 与 push_back

在 C++11 之后，vector 容器中添加了新的方法：emplace_back() ，和 push_back() 一样的是都是在容器末尾添加一个新的元素进去，不同的是 emplace_back() 在效率上相比较于 push_back() 有了一定的提升。

1. push_back() 方法 

首先分析较为简单直观的 push_back() 方法。对于 push_back() 而言，最开始只有 void push_back( const T& value ); 这个函数声明，后来从 C++11 ，新加了void push_back( T&& value ) 函数，以下为 C++ 中的源码实现：

/**
 *  以下程序来自STL源码 bits/stl_vector.h
 *
 *  @brief  Add data to the end of the %vector.
 *  @param  __x  Data to be added.
 *
 *  This is a typical stack operation.  The function creates an
 *  element at the end of the %vector and assigns the given data
 *  to it.  Due to the nature of a %vector this operation can be
 *  done in constant time if the %vector has preallocated space
 *  available.
 */
void push_back(const value_type &__x) {
    if (this->_M_impl._M_finish != this->_M_impl._M_end_of_storage) {
        // 首先判断容器满没满，如果没满那么就构造新的元素，然后插入新的元素
        _Alloc_traits::construct(this->_M_impl, this->_M_impl._M_finish,
                                 __x);
        ++this->_M_impl._M_finish; // 更新当前容器内元素数量
    } else
        // 如果满了，那么就重新申请空间，然后拷贝数据，接着插入新数据 __x
        _M_realloc_insert(end(), __x);
}

// 如果 C++ 版本为 C++11 及以上（也就是从 C++11 开始新加了这个方法），使用 emplace_back() 代替
#if __cplusplus >= 201103L
void push_back(value_type &&__x) {
    emplace_back(std::move(__x));
}
#endif

2. emplace_back() 方法 

emplace_back() 是从 C++11 起新增到 vector 中的方法，最初的函数声明为：

template< class... Args >
void emplace_back( Args&&... args );

之后在 C++14 之后，将无返回值 void 改为了返回对插入元素的引用： 

template< class... Args >
reference emplace_back( Args&&... args );

在 STL 源码中，可以看到 emplace_back() 的实现是这样的： 

/**
 *  以下程序来自STL源码 bits/vector.tcc
 */
template
template
#if __cplusplus > 201402L
typename vector<_Tp, _Alloc>::reference
#else
void
#endif
vector<_Tp, _Alloc>::emplace_back(_Args &&... __args) {
    if (this->_M_impl._M_finish != this->_M_impl._M_end_of_storage) {
        // 同样判断容器是否满了，没满的话，执行构造函数，对元素进行构造，并执行类型转换
        _Alloc_traits::construct(this->_M_impl, this->_M_impl._M_finish,
                                 std::forward<_Args>(__args)...);
        ++this->_M_impl._M_finish; // 更新当前容器大小
    } else
        // 满了的话重新申请内存空间，将新的元素继续构造进来，并且进行类型转换
        _M_realloc_insert(end(), std::forward<_Args>(__args)...);
#if __cplusplus > 201402L
    return back(); // 在 C++14版本之后，添加返回值，返回最后一个元素的引用
#endif
}

#endif

 将 emplace_back() 和 push_back() 中区别最大的程序拎出来看：

_Alloc_traits::construct(this->_M_impl, this->_M_impl._M_finish,
                                 std::forward<_Args>(__args)...); // emplace_back()
_Alloc_traits::construct(this->_M_impl, this->_M_impl._M_finish,
                                 __x);                            // push_back()

对于 std::forward() 函数而言，本质上是一个类型转换函数，它的声明函数如下所示： 

/**
 *  以下程序来自STL源码 bits/move.h
 *  @brief  Forward an lvalue.
 *  @return The parameter cast to the specified type.
 *
 *  This function is used to implement "perfect forwarding".
 */
template
constexpr _Tp &&forward(typename std::remove_reference<_Tp>::type &__t) noexcept {
    return static_cast<_Tp &&>(__t);
}

在强制类型转换中，将参数 __t 传递给对应类 _Tp 的构造函数，然后调用了该类的构造函数从而完成对象创建过程。

因此，在 emplace_back() 函数中，是支持直接将构造函数所需的参数传递过去，然后构建一个新的对象出来，然后填充到容器尾部的。

3. 性能分析 

emplace_back() 函数在原理上比 push_back() 有了一定的改进，包括在内存优化方面和运行效率方面。内存优化主要体现在使用了就地构造（直接在容器内构造对象，不用拷贝一个复制品再使用）+强制类型转换的方法来实现，在运行效率方面，由于省去了拷贝构造过程，因此也有一定的提升。

以下程序源码：

/**
 * Created by Xiaozhong on 2020/9/3.
 * Copyright (c) 2020/9/3 Xiaozhong. All rights reserved.
 */

#include 
#include 

using namespace std;

class Person {
    int _age;

public:
    Person(int age) : _age(age) {
        cout << "Construct a person." << _age << endl;
    }

    Person(const Person &p) : _age(p._age) {
        cout << "Copy-Construct" << _age << endl;
    }

    Person(const Person &&p) noexcept: _age(p._age) {
        cout << "Move-Construct" << _age << endl;
    }
};

#define TEST_EMPLACE_BACK
//#define TEST_PUSH_BACK

int main() {
    vector person;
    auto p = Person(1); // >: Construct a person.1
#ifdef TEST_EMPLACE_BACK
    person.emplace_back(move(p)); // >: Move-Construct1
    person.emplace_back(2);
    /**
     * >: Construct a person.2  // 构建一个新的元素
     * >: Move-Construct1       // 拷贝之前的元素过来，这个时候用的是 Person(const Person &&p)
     */
#endif
#ifdef TEST_PUSH_BACK
    person.push_back(p);
    /**
     * >: Copy-Construct1 因为容器扩容，需要把前面的元素重新添加进来，因此需要拷贝
     */
#endif
}

4.不同之处 

对于 pair 类型的元素的添加，emplace_back() 函数和 push_back() 函数有所区别.

详情如下:

    std::vector> a;
	for (int i = 0; i < n; i++) {
		int x, y;
		std::cin >> x >> y;
		a.emplace_back(x, y);
	}
    //emplace_back()

    std::vector> a;
	for (int i = 0; i < n; i++) {
		int x, y;
		std::cin >> x >> y;
		a.push_back({x, y});
	}
    //push_back()