从零开始学C++之STL（二）：实现简单容器模板类Vec（vector capacity 增长问题、allocator 内存分配器）

首先，vector 在VC 2008 中的实现比较复杂，虽然vector 的声明跟VC6.0 是一致的，如下：

C++ Code

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template< class_Ty, class_Ax=allocator<_Ty>> classvector;

但在VC2008 中vector 还有基类，如下：

C++ Code

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//TEMPLATECLASSvector template< class_Ty, class_Ax> classvector : public_Vector_val<_Ty,_Ax> { };

稍微来看一下基类_Vector_val：

C++ Code

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//TEMPLATECLASS_Vector_val template< class_Ty, class_Alloc> class_Vector_val : public_CONTAINER_BASE_AUX_ALLOC<_Alloc> { //baseclassforvectortoholdallocator_Alval protected: _Vector_val(_Alloc_Al=_Alloc()) :_CONTAINER_BASE_AUX_ALLOC<_Alloc>(_Al),_Alval(_Al) { //constructallocatorfrom_Al } typedef typename_Alloc:: template rebind<_Ty>::other_Alty; _Alty_Alval; //allocatorobjectforvalues };

为了理解_Alty 的类型，还得看一下allocator模板类：

C++ Code

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template< class_Ty> classallocator { template<> class_CRTIMP2_PUREallocator< void> { //genericallocatorfortypevoid public: template< class_Other> structrebind { //convertanallocator<void>toanallocator<_Other> typedefallocator<_Other>other; }; .... }; ... };

typedeftypename_Alloc::templaterebind<_Ty>::other_Alty; 整体来看是类型定义，假设现在我们这样使用

vector<int>， 那么_Ty 即 int, _Ax 即 allocator<int>，由vector 类传递给 基类_Vector_val，则_Alloc 即

allocator<int> ；可以看到allocator<void> 是allocator 模板类的特化，rebind<_Ty>是成员模板类，other是成员模板类

中自定义类型，_Ty 即是int ， 那么other 类型也就是allocator<int>， 也就是说_Alty 是类型allocator<int> 。

_Alty _Alval; 即 基类定义了一个allocator<int> 类型的成员，被vector 继承后以后用于为vector 里面元素分配内存等操作。

如iteratornew_dataalloc.allocate(new_size); 注意，标准的vector::iterator 是以模板类实现的，下面的实现简单地将其等同为指针，

实际上真正的iterator 类的实现是内部有一个指针成员，指向容器元素。

××××××××××××××××××××××××××××××××××××××××××××××××××××××××××××××××××××××××××××××××××××××××××××××××××××

对比list 的实现，继承它的基类_List_nod 的一个成员 allocator<_Node> _Alnod; 如下：

typename _Alloc::template rebind<_Node>::other _Alnod; // allocator object for nodes

其中 _Node有三个成员，如下：

_Nodeptr _Next; // successor node, or first element if head

_Nodeptr _Prev; // predecessor node, or last element if head

_Ty _Myval; // the stored value, unused if head

如果是list<int> ，那么_Ty 即是int 类型。双向链表在创建一个新结点时，这样实现：

_Nodeptr _Pnode = this->_Alnod.allocate(1); // 即分配一个节点的空间，返回指向这个节点的指针。

实际上list 还继承另外两个基类的两个成员，如下：

typename _Alloc::template rebind<_Nodeptr>::other _Alptr;// allocator object for pointers to nodes

typename _Alloc::template rebind<_Ty>::other _Alty _Alval; // allocator object for values stored in nodes

×××××××××××××××××××××××××××××××××××××××××××××××××××××××××××××××××××××××××××××××××××××××××××××××××××××

在VC6.0 vector 的实现，_Alval 是直接作为vector 自身的成员存在的。此外还有一个比较大的不同点在于，两个版本对于capacity 也就是容量的

计算方式不同，接下去的测试可以看到这种不同，在这里可以先说明一下：

VC2008：容量每次增长为原先容量 + 原先容量 / 2;

VC6.0 ：容量每次增长为原先容量的2倍。

容量跟vector 大小的概念是不一样的，capacity 》= size，如下图所示：

size 指的是avail - data 的区间；capacity 指的是 limit - data 的区间；也就是说存在尚未使用的空间。

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data, avail 和 limit 是vector 类的三个指针成员，对比list 的实现，自身也许只有两个成员，如下：

Nodeptr _Myhead; // pointer to head node

size_type _Mysize; // number of elements

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下面是模仿VC6.0 中vector 的实现写的Vec 类，程序主要参考《Accelerated C++》 ，略有修改，比如将接口修改成与VC6.0 一致，

这样做的好处是可以传递第二个参数，也就是说可以自己决定内存的分配管理方式；实现capacity() 函数等；

Vec.h：

C++ Code

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/************************************************************************* >FileName:template_class_Vec.h >Author:Simba >Mail:[email protected] >CreatedTime:Thu07Feb201306:51:12PMCST ************************************************************************/ #include<iostream> #include<cstddef> #include<memory> #include<algorithm> template< classT, classA_=std::allocator<T>> classVec { public: //interface typedefT*iterator; typedef constT*const_iterator; typedefsize_tsize_type; typedefTvalue_type; typedefstd::ptrdiff_tdifference_type; typedefT&reference; typedef constT&const_reference; Vec() { create(); //defaultconstructor } //constT&t=T();意思是默认参数，当没有传递 参数时，T() 即定义一个类型为T的无名对象（参数为空会调用默认构造函数） // 也就是 t 引用着这个无名对象。 //explicit表示不允许构造函数进行隐式类型转换 explicitVec(size_typen, constT&val=T()) { create(n,val); } Vec( constVec&v) { create(v.begin(),v.end()); //copyconstructor } Vec& operator=( constVec&); //assigmentoperator ~Vec() { uncreate(); //destructor } size_typesize() const { returnavail-data; //avalueofptrdiff_t } size_typecapacity() const { return(data== 0? 0:limit-data); } T& operator[](size_typei) { returndata[i]; } /*becausetheirleftoperandisdifferent(const),wecanoverloadtheoperation*/ constT& operator[](size_typei) const { returndata[i]; } iteratorbegin() { returndata; } const_iteratorbegin() const { returndata; } iteratorend() { returnavail; } const_iteratorend() const { returnavail; } voidpush_back( constT&val) { if(avail==limit) //getspaceifneeded grow(); unchecked_append(val); //appendthenewelement } voidclear() { uncreate(); } voidempty() { returndata==avail; } private: iteratordata; //firstelementintheVec iteratoravail; //onepastthelastconstructedelementintheVec iteratorlimit; //onepastthelastavailableelement A_alloc; //objecttohandlememoryallocation //allocateandinitializetheunderlyingarray voidcreate(); voidcreate(size_type, constT&); voidcreate(const_iterator,const_iterator); //destorytheelementinthearrayandfreethememory voiduncreate(); //supportfunctionsforpush_back voidgrow(); voidunchecked_append( constT&); }; template< classT, classA_> Vec<T,A_>&Vec<T,A_>:: operator=( constVec<T,A_>&rhs) { //checkforself-assigment if(&rhs!= this) { uncreate(); create(rhs.begin(),rhs.end()); } return* this; } template< classT, classA_> voidVec<T,A_>::create() { data=avail=limit= 0; } template< classT, classA_> voidVec<T,A_>::create(size_typen, constT&val) { data=alloc.allocate(n); limit=avail=data+n; std::uninitialized_fill(data,limit,val); } template< classT, classA_> voidVec<T,A_>::create(const_iteratori,const_iteratorj) { data=alloc.allocate(j-i); limit=avail=std::uninitialized_copy(i,j,data); /*returnapointerto(onepast)thelastelementthatitinitialized*/ } template< classT, classA_> voidVec<T,A_>::uncreate() { if(data) { //destroy(inreverseorder)theelementsthatwereconstructed iteratorit=avail; while(it!=data) //destoryrunsT'sdestructorforthatobject,renderingthestorageuninitializedagain alloc.destroy(--it); alloc.deallocate(data,limit-data); } //resetpointerstoindicatethatVecisemptyagain data=limit=avail= 0; } template< classT, classA_> voidVec<T,A_>::grow() { //whengrowing,allocatetwiceasmuchspaceascurrentlyinuse size_typenew_size=std::max( 2*(limit-data),ptrdiff_t( 1)); //allocatenewspaceandcopyelementstothenewspace iteratornew_data=alloc.allocate(new_size); iteratornew_avail=std::uninitialized_copy(data,avail,new_data); //returntheoldspace uncreate(); //resetpointerstopointtothenewlyallocatedspace data=new_data; avail=new_avail; limit=data+new_size; } template< classT, classA_> //errorC4519:仅允许在类模板上使用默认模板参数 voidVec<T,A_>::unchecked_append( constT&val) { alloc.construct(avail++,val); }

先介绍一下用到的一些类和函数：

allocator 模板类：

C++ Code

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#include<memory> template< classT> classallocator { public: T*allocate(size_t); voiddeallocate(T*,size_t); voidconstruct(T*,size_t); voiddestroy(T*); //....... };

当然实际的接口没实现没那么简单，但大概实现的功能差不多:

allocate 调用operator new ；deallocate 调用 operator delete; construct 调用placement new （即在分配好的内

存上调用拷贝构造函数），destroy 调用析构函数。

两个std函数：

C++ Code

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template< classIn, classFor> Foruninitialized_copy(In,In,For); template< classFor, classT> voiduninitialized_fill(For,For, constT&);

如std::uninitialized_copy(i,j,data); 即将i ~ j 指向区间的数值都拷贝到data 指向的区间，返回的是最后一个初始化值的下一个位置。

std::uninitialized_fill(data,limit,val); 即将 data ~ limit 指向的区间都初始化为val 。

为了理解push_back 的工作原理，写个小程序测试一下：

C++ Code

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#include<iostream> #include "Vec.h" using namespacestd; classTest { public: Test() { cout<< "Test..."<<endl; } Test( constTest&other) { cout<< "copyTest..."<<endl; } ~Test() { cout<< "~Test..."<<endl; } }; intmain( void) { vector<Test>v2; Testt1; Testt2; Testt3; v2.push_back(t1); v2.push_back(t2); v2.push_back(t3); return 0; }

从输出可以看出，构造函数调用3次，拷贝构造函数调用6次，析构函数调用9次，下面来分析一下，首先看下图：

首先定义t1, t2, t3的时候调用三次构造函数，这个没什么好说的；接着第一次调用push_back，调用grow进而调用alloc.allocate，

allocate 函数调用operator new 分配一块内存，第一次uncreate 没有效果，接着push_back 里面调用uncheck_append，进而调用

alloc.construct，即调用placement new（new (_Vptr) _T1(_Val); ），在原先分配好的内存上调用一次拷贝构造函数。

接着第二次调用push_back，一样的流程，这次先分配两块内存，将t1 拷贝到第一个位置，调用uncreate()，先调用alloc.destroy，即

调用一次析构函数，接着调用alloc.deallcate，即调用operator delete 释放内存，最后调用uncheck_append将t2 拷贝到第二个位置。

第三次调用push_back，也一样分配三块内存，将t1, t2 拷贝下来，然后分别析构，最后将t3 拷贝上去。

程序结束包括定义的三个Test 对象t1, t2, t3 ，析构3次，Vec<Test> v2; v2是局部对象，生存期到则调用析构函数~Vec(); 里面调用

uncreate()， 调用3次Test 对象的析构函数，调用operator delete 释放3个对象的内存。故总共析构了6次。

在VC2008 中换成vector<Test> v2; 来测试的话，输出略有不同，如下：

输出的次数是一致的，只是拷贝的顺序有所不同而已，比如第二次调用push_back 的时候，VC2008 中的vector 是先拷贝t2, 接着拷

贝t1, 然后将t1 释放掉。

最后再来提一下关于capacity 的计算，如下的测试程序：

C++ Code

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#include<iostream> #include "Vec.h" using namespacestd; intmain( void) { Vec< int>v; v.push_back( 1); cout<<v.capacity()<<endl; v.push_back( 1); cout<<v.capacity()<<endl; v.push_back( 1); cout<<v.capacity()<<endl; v.push_back( 1); cout<<v.capacity()<<endl; v.push_back( 1); cout<<v.capacity()<<endl; v.push_back( 1); cout<<v.capacity()<<endl; v.push_back( 1); cout<<v.capacity()<<endl; }

输出为 1 2 4 4 8 8 8 即在不够的情况下每次增长为原来的2倍。

如果换成 vector<int> v; 测试，那么输出是 1 2 3 4 6 6 9，即在不够的情况每次增长为原来大小 + 原来大小 / 2；

看到这里，有些朋友会疑惑了，由1怎么会增长到2呢？按照原则不是还是1？其实只要看一下vector 的源码就清楚了：

C++ Code

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void_Insert_n(const_iterator_Where, size_type_Count, const_Ty&_Val) { //insert_Count*_Valat_Where ..... size_type_Capacity=capacity(); ..... else if(_Capacity<size()+_Count) { //notenoughroom,reallocate _Capacity=max_size()-_Capacity/ 2<_Capacity ? 0:_Capacity+_Capacity/ 2; //trytogrowby50% if(_Capacity<size()+_Count) _Capacity=size()+_Count; pointer_Newvec= this->_Alval.allocate(_Capacity); pointer_Ptr=_Newvec; ..... } }

_Insert_n 是被push_back 调用的，当我们试图增长为_Capacity+_Capacity/2; 时，下面还有一个判断：

if(_Capacity<size()+_Count)

_Capacity=size()+_Count;

现在试图增长为 1 + 1/ 2 = 1； 此时因为 1 < 1 + 1 ; 所以_Capacity = 1 + 1 = 2;

其他情况都是直接按公式增长。

从上面的分析也可以看出，当push_back 的时候往往带有拷贝和析构多个操作，所以一下子分配比size() 大的空间capacity，可以减

轻频繁操作造成的效率问题。

参考：

C++ primer 第四版
Effective C++ 3rd
C++编程规范