STL源码分析之vector
一、vector简介
vector的数据安排以及操作方式，与array非常相似。两者的唯一差别在于空间的运用的灵活性，array是静态的，一旦配置了就不能改变，而 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。
vector容器有已使用空间和可用空间，已使用空间是指vector容器的大小，可用空间是指vector容器可容纳的最大数据空间capacity。vector的实现依赖于内存的配置和内存的初始化，以及迭代器。其中内存的配置是最重要的，因为每当配置内存空间时，可能会发生数据移动，回收旧的内存空间，如果不断地重复这些操作会降低操作效率，所有vector容器在分配内存时，并不是用户数据占多少就分配多少，它会分配一些内存空间留着备用，即是用户可用空间。
二、vector容器的数据结构
vector内存由M_impl中的M_start，M_finish，_M_end_of_storage三个指针管理，所有关于地址，容量大小等操作都需要用到这三个指针。其中，M_start指向目前使用空间的头，M_finish指向目前使用空间的尾，M_end_of_storage指向可用空间的尾。
//Alloc是SGI STL的空间配置器，默认是第二级配置器
template
class vector : protected _Vector_base<_Tp, _Alloc>
{
...
protected:
_Tp* _M_start;//表示目前使用空间的头
_Tp* _M_finish;//表示目前使用空间的尾
_Tp* _M_end_of_storage;//表示目前可用空间的尾
...
};
iterator begin() _GLIBCXX_NOEXCEPT
{ return iterator(this->_M_impl._M_start); }
iterator end() _GLIBCXX_NOEXCEPT
{ return iterator(this->_M_impl._M_finish); }
reverse_iterator rbegin() noexcept
{ return reverse_iterator(end()); }
reverse_iterator rend() noexcept
{ return reverse_iterator(begin()); }
size_type size() const _GLIBCXX_NOEXCEPT
{ return size_type(this->_M_impl._M_finish - this->_M_impl._M_start); }
size_type capacity() const _GLIBCXX_NOEXCEPT
{ return size_type(this->_M_impl._M_end_of_storage - this->_M_impl._M_start); }
bool empty() const _GLIBCXX_NOEXCEPT
{ return begin() == end(); }M_finish和M_end_of_storage之间的空间没有数据，有时候这是一种浪费，c++11提供了一个很有用的函数shrink_to_fit()，将这段未使用空间释放，主要调用了下面代码，
template
void vector::
_M_reallocate(size_type __n)
{
_Bit_type* __q = this->_M_allocate(__n);
this->_M_impl._M_finish = _M_copy_aligned(begin(), end(),
iterator(__q, 0));
this->_M_deallocate();
this->_M_impl._M_start = iterator(__q, 0);
this->_M_impl._M_end_of_storage = __q + _S_nword(__n);
} 而_M_copy_aligned通过两个std::copy实现:
第一次swap把__first的指针与__last的指针之间的数据拷贝到__result指针所指向的起始位置。 第二次swap获得__last的指针对应的迭代器。
iterator
_M_copy_aligned(const_iterator __first, const_iterator __last,
iterator __result)
{
// _Bit_type * _M_p; _Bit_type为unsigned long类型
_Bit_type* __q = std::copy(__first._M_p, __last._M_p, __result._M_p);
return std::copy(const_iterator(__last._M_p, 0), __last,
iterator(__q, 0));
}先分配size()大小的内存空间，用于存储begin()与end()之间的数据，释放原来的vector空间，新的vector只包含size()数量的数据，并修改_M_start与_M_end_of_storage指向。
三、vector构造与析构
//使用默认内存分配器
vector() : _Base() { }
//指定内存分配器
explicit vector(const allocator_type& __a) : _Base(__a) { }
//初始化为n个__value值，如果没指定就使用该类型默认值
explicit vector(size_type __n, const value_type& __value = value_type(),
const allocator_type& __a = allocator_type()): _Base(__n, __a)
{ _M_fill_initialize(__n, __value); }
//拷贝构造函数
vector(const vector& __x)
: _Base(__x.size(),
_Alloc_traits::_S_select_on_copy(__x._M_get_Tp_allocator()))
{ this->_M_impl._M_finish =
std::__uninitialized_copy_a(__x.begin(), __x.end(),
this->_M_impl._M_start,
_M_get_Tp_allocator());
}
//c++11的移动构造函数，获取__x的M_start，_M_finish，_M_end_of_storage，并不需要数据拷贝
vector(vector&& ) noexcept
: _Base(std::move(__x)) { }
//从list中拷贝数据，也是c++11才有的
vector(initializer_list __l,
const allocator_type& __a = allocator_type())
: _Base(__a)
{
_M_range_initialize(__l.begin(), __l.end(), random_access_iterator_tag());
}
//支持vector使用两个迭代器范围内的值初始化，除了stl的迭代器，也可以是数组地址
template>
vector(_InputIterator __first, _InputIterator __last,
const allocator_type& __a = allocator_type())
: _Base(__a)
{ _M_initialize_dispatch(__first, __last, __false_type()); }
//只析构所有元素，释放内存由vector_base完成
~vector() _GLIBCXX_NOEXCEPT
{ std::_Destroy(this->_M_impl._M_start, this->_M_impl._M_finish,_M_get_Tp_allocator()); } 四、vector迭代器
在vector中使用了两种迭代器，分别是正向__normal_iterator与反向迭代器reverse_iterator:
正向：
typedef __gnu_cxx::__normal_iterator iterator;
typedef __gnu_cxx::__normal_iterator const_iterator; 反向：
typedef std::reverse_iterator const_reverse_iterator;
typedef std::reverse_iterator reverse_iterator; __normal_iterator与reverse_iterator都定义于stl_iterator.h，封装了vector元素的指针。
4.1正向迭代器
template
class __normal_iterator
{
protected:
_Iterator _M_current;
typedef iterator_traits<_Iterator> __traits_type;
public:
typedef _Iterator iterator_type;
// iterator必须包含的五种typedef
typedef typename __traits_type::iterator_category iterator_category;
typedef typename __traits_type::value_type value_type;
typedef typename __traits_type::difference_type difference_type;
typedef typename __traits_type::reference reference;
typedef typename __traits_type::pointer pointer;
_GLIBCXX_CONSTEXPR __normal_iterator() _GLIBCXX_NOEXCEPT
: _M_current(_Iterator()) { }
explicit
__normal_iterator(const _Iterator& __i) _GLIBCXX_NOEXCEPT
: _M_current(__i) { }
// Allow iterator to const_iterator conversion
template
__normal_iterator(const __normal_iterator<_Iter,
typename __enable_if<
(std::__are_same<_Iter, typename _Container::pointer>::__value),
_Container>::__type>& __i) _GLIBCXX_NOEXCEPT
: _M_current(__i.base()) { }
// Forward iterator requirements
reference
operator*() const _GLIBCXX_NOEXCEPT
{ return *_M_current; }
pointer
operator->() const _GLIBCXX_NOEXCEPT
{ return _M_current; }
// 前置++
__normal_iterator&
operator++() _GLIBCXX_NOEXCEPT
{
++_M_current;
return *this;
}
// 后置++
__normal_iterator
operator++(int) _GLIBCXX_NOEXCEPT
{ return __normal_iterator(_M_current++); }
// 前置--
// Bidirectional iterator requirements
__normal_iterator&
operator--() _GLIBCXX_NOEXCEPT
{
--_M_current;
return *this;
}
// 后置--
__normal_iterator
operator--(int) _GLIBCXX_NOEXCEPT
{ return __normal_iterator(_M_current--); }
// 随机访问迭代器都要重载[]操作符
// Random access iterator requirements
reference
operator[](difference_type __n) const _GLIBCXX_NOEXCEPT
{ return _M_current[__n]; }
// +=操作符 跳跃n个difference_type
__normal_iterator&
operator+=(difference_type __n) _GLIBCXX_NOEXCEPT
{ _M_current += __n; return *this; }
// +操作符 跳跃n个difference_type
__normal_iterator
operator+(difference_type __n) const _GLIBCXX_NOEXCEPT
{ return __normal_iterator(_M_current + __n); }
// -=操作符 后退n个difference_type
__normal_iterator&
operator-=(difference_type __n) _GLIBCXX_NOEXCEPT
{ _M_current -= __n; return *this; }
// -操作符 后退n个difference_type
__normal_iterator
operator-(difference_type __n) const _GLIBCXX_NOEXCEPT
{ return __normal_iterator(_M_current - __n); }
const _Iterator&
base() const _GLIBCXX_NOEXCEPT
{ return _M_current; }
}; _M_current是指向迭代器位置的指针，这是一个随机访问型指针，operator+和operator-等移动操作可以直接移动到目的地，非随机访问型指针只能一步步移动。
4.2反向迭代器
vector还会使用reverse_iterator，即逆序迭代器，顾名思义，其移动方向与普通迭代器相反
template
class reverse_iterator
: public iterator::iterator_category,
typename iterator_traits<_Iterator>::value_type,
typename iterator_traits<_Iterator>::difference_type,
typename iterator_traits<_Iterator>::pointer,
typename iterator_traits<_Iterator>::reference>
{
protected:
_Iterator current;
typedef iterator_traits<_Iterator> __traits_type;
public:
typedef _Iterator iterator_type;
typedef typename __traits_type::difference_type difference_type;
typedef typename __traits_type::pointer pointer;
typedef typename __traits_type::reference reference;
// 省略不重要的代码
// 该迭代器是从后面end()开始，需要往前一步，才可以获取到有效的迭代器位置
reference
operator*() const
{
_Iterator __tmp = current;
return *--__tmp;
}
// 通过调用上述*操作符直接实现
pointer
operator->() const
{ return &(operator*()); }
// 前置++操作符完成后退任务
reverse_iterator&
operator++()
{
--current;
return *this;
}
// 后置++
reverse_iterator
operator++(int)
{
reverse_iterator __tmp = *this;
--current;
return __tmp;
}
// 前置--操作符完成前进任务
reverse_iterator&
operator--()
{
++current;
return *this;
}
// 后置--
reverse_iterator
operator--(int)
{
reverse_iterator __tmp = *this;
++current;
return __tmp;
}
// +操作符
reverse_iterator
operator+(difference_type __n) const
{ return reverse_iterator(current - __n); }
// +=操作符
reverse_iterator&
operator+=(difference_type __n)
{
current -= __n;
return *this;
}
// -操作符
reverse_iterator
operator-(difference_type __n) const
{ return reverse_iterator(current + __n); }
// -=操作符
reverse_iterator&
operator-=(difference_type __n)
{
current += __n;
return *this;
}
// []操作符
reference
operator[](difference_type __n) const
{ return *(*this + __n); }
}; 五、vector的内存管理
_Vector_base中有一个内存管理器_Vector_impl类，该结构体继承allocator(根据上述1.1等价条件得出)。
template
struct _Vector_base {
//__alloc_traits -> allocator_traits
// typedef allocator<_Tp> _Tp_alloc_type
typedef typename __gnu_cxx::__alloc_traits<_Alloc>::template
rebind<_Tp>::other _Tp_alloc_type;
// _Tp::value_type* or _Tp*
typedef typename __gnu_cxx::__alloc_traits<_Tp_alloc_type>::pointer
pointer;
struct _Vector_impl
: public _Tp_alloc_type {
pointer _M_start; // 使用空间起始位置
pointer _M_finish; // 使用空间结束位置
pointer _M_end_of_storage; // 可使用空间结束位置
_Vector_impl()
: _Tp_alloc_type(), _M_start(0), _M_finish(0), _M_end_of_storage(0) {}
_Vector_impl(_Tp_alloc_type const &__a)
// vector数据交换，只交换内存地址，不交换数据
void _M_swap_data(_Vector_impl &__x)
_GLIBCXX_NOEXCEPT
{
std::swap(_M_start, __x._M_start);
std::swap(_M_finish, __x._M_finish);
std::swap(_M_end_of_storage, __x._M_end_of_storage);
}
};
public:
typedef _Alloc allocator_type;
// 前面我们知道_Vector_impl继承自allocator分配器，而这个又是_Tp_alloc_type，所以这里返回的就是_M_impl的基类。
_Tp_alloc_type &
_M_get_Tp_allocator()
_GLIBCXX_NOEXCEPT
{ return *static_cast<_Tp_alloc_type *>(&this->_M_impl); }
const _Tp_alloc_type &
_M_get_Tp_allocator() const
_GLIBCXX_NOEXCEPT
{ return *static_cast(&this->_M_impl); }
allocator_type // 获取传递进来的分配器
get_allocator() const
_GLIBCXX_NOEXCEPT
{ return allocator_type(_M_get_Tp_allocator()); }
_Vector_base()
: _M_impl() {}
_Vector_base(const allocator_type &__a)
_GLIBCXX_NOEXCEPT
: _M_impl(__a) {}
_Vector_base(size_t __n)
: _M_impl() { _M_create_storage(__n); }
_Vector_base(size_t __n, const allocator_type &__a)
: _M_impl(__a) { _M_create_storage(__n); }
#if __cplusplus >= 201103L
_Vector_base(_Tp_alloc_type&& __a) noexcept
: _M_impl(std::move(__a)) { }
// 移动构造函数，只交换3个指针，不copy数据
_Vector_base(_Vector_base&& __x) noexcept
: _M_impl(std::move(__x._M_get_Tp_allocator()))
{ this->_M_impl._M_swap_data(__x._M_impl); }
_Vector_base(_Vector_base&& __x, const allocator_type& __a)
: _M_impl(__a)
{
if (__x.get_allocator() == __a)
this->_M_impl._M_swap_data(__x._M_impl);
else
{
size_t __n = __x._M_impl._M_finish - __x._M_impl._M_start;
_M_create_storage(__n);
}
}
#endif
~_Vector_base()
_GLIBCXX_NOEXCEPT
{
_M_deallocate(this->_M_impl._M_start, this->_M_impl._M_end_of_storage
- this->_M_impl._M_start);
}
public:
_Vector_impl _M_impl;
pointer _M_allocate(size_t __n) {
typedef __gnu_cxx::__alloc_traits <_Tp_alloc_type> _Tr;
return __n != 0 ? _Tr::allocate(_M_impl, __n) : 0; // 同_M_deallocate，一直往后调用的就是malloc函数
}
void _M_deallocate(pointer __p, size_t __n) {
typedef __gnu_cxx::__alloc_traits <_Tp_alloc_type> _Tr;
if (__p)
_Tr::deallocate(_M_impl, __p, __n); // 最后调用allocator_traits的deallocate,而该函数又是根据传递进来的_M_impl进行deallocate,一直往后，最后调用的就是free函数
}
private:
void _M_create_storage(size_t __n) {
this->_M_impl._M_start = this->_M_allocate(__n);
this->_M_impl._M_finish = this->_M_impl._M_start;
this->_M_impl._M_end_of_storage = this->_M_impl._M_start + __n;
}
}; 小结：_Vector_base专门负责vector的内存管理，内部类_M_impl通过继承_Tp_alloc_type(也就是allocator)得到内存分配释放的功能，M_allocate和M_deallocate分别分配和释放vector所用内存，vector只需要负责元素构造和析构。
在vector中，默认内存分配器为std::allocator<_Tp>
template>
class vector : protected _Vector_base<_Tp, _Alloc> {
} vector代码中使用基类的内存函数及typedef等：
template>
class vector : protected _Vector_base<_Tp, _Alloc> {
typedef _Vector_base<_Tp, _Alloc> _Base;
typedef typename _Base::_Tp_alloc_type _Tp_alloc_type;
public:
typedef typename _Base::pointer pointer;
protected:
using _Base::_M_allocate;
using _Base::_M_deallocate;
using _Base::_M_impl;
using _Base::_M_get_Tp_allocator;
}