[置顶] 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> > class vector;

但在VC2008 中vector 还有基类，如下：

 C++ Code 

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// TEMPLATE CLASS vector template <  class _Ty,           class _Ax > class vector     :  public _Vector_val<_Ty, _Ax> { };

稍微来看一下基类_Vector_val：

 C++ Code 

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// TEMPLATE CLASS _Vector_val template <  class _Ty,           class _Alloc > class _Vector_val     :  public _CONTAINER_BASE_AUX_ALLOC<_Alloc> {      // base class for vector to hold allocator _Alval protected:     _Vector_val(_Alloc _Al = _Alloc())         : _CONTAINER_BASE_AUX_ALLOC<_Alloc>(_Al), _Alval(_Al)     {          // construct allocator from _Al     }      typedef  typename _Alloc:: template     rebind<_Ty>::other _Alty;     _Alty _Alval;    // allocator object for values };

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>  class allocator {      template<>  class _CRTIMP2_PURE allocator< void>     {          // generic allocator for type void      public:          template< class _Other>          struct rebind         {              // convert an allocator<void> to an allocator <_Other>              typedef allocator<_Other> other;         };         ....     };     ... };

typedef typename _Alloc::template rebind<_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 iterator new_data  = alloc.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

实际上 list不仅是一个双向链表，而且还是一个环状双向链表。另外，插入操作和结合操作都不会造成原有的list迭代器失效，这在vector是不成立的。

因为vector的插入操作可能造成存储空间重新配置，导致原有的迭代器全部失效。list的元素删除操作（erase），也只有“指向被删除元素”的那个

迭代器失效，其他迭代器不受任何影响。

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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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/************************************************************************* > File Name: template_class_Vec.h > Author: Simba > Mail: [email protected] > Created Time: Thu 07 Feb 2013 06:51:12 PM CST ************************************************************************/ #include<iostream> #include<cstddef> #include<memory> #include<algorithm> template <  class T,  class A_ = std::allocator<T> > class Vec { public:  // interface      typedef T *iterator;      typedef  const T *const_iterator;      typedef size_t size_type;      typedef T value_type;      typedef std::ptrdiff_t difference_type;      typedef T &reference;      typedef  const T &const_reference;     Vec()     {         create();     // default constructor     }      // const T & 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      explicit Vec(size_type n,  const T &val = T())     {         create(n, val);     }     Vec( const Vec &v)     {         create(v.begin(), v.end());     // copy constructor     }     Vec & operator=( const Vec &);   // assigment operator     ~Vec()     {         uncreate();     // destructor     }     size_type size()  const     {          return avail - data;     // a value of ptrdiff_t     }     size_type capacity()  const     {          return (data ==  0 ?  0 : limit - data);     }     T & operator[](size_type i)     {          return data[i];     }      /* because their left operand is different(const), we can overload the operation */      const T & operator[](size_type i)  const     {          return data[i];     }     iterator begin()     {          return data;     }     const_iterator begin()  const     {          return data;     }     iterator end()     {          return avail;     }     const_iterator end()  const     {          return avail;     }      void push_back( const T &val)     {          if (avail == limit)  // get space if needed             grow();         unchecked_append(val);  // append the new element     }      void clear()     {         uncreate();     }      bool empty()     {          return data == avail;     } private:     iterator data;  // first element in the Vec     iterator avail;  // one past the last constructed element in the Vec     iterator limit;  // one past the last available element     A_ alloc;  // object to handle memory allocation      // allocate and initialize the underlying array      void create();      void create(size_type,  const T &);      void create(const_iterator, const_iterator);      // destory the element in the array and free the memory      void uncreate();      // support functions for push_back      void grow();      void unchecked_append( const T &); }; template <  class T,  class A_> Vec<T, A_> &Vec<T, A_>:: operator=( const Vec<T, A_> &rhs) {      // check for self-assigment      if (&rhs !=  this)     {         uncreate();         create(rhs.begin(), rhs.end());     }      return * this; } template <  class T,  class A_> void Vec<T, A_>::create() {     data = avail = limit =  0; } template <  class T,  class A_> void Vec<T, A_>::create(size_type n,  const T &val) {     data = alloc.allocate(n);     limit = avail = data + n;     std::uninitialized_fill(data, limit, val); } template <  class T,  class A_> void Vec<T, A_>::create(const_iterator i, const_iterator j) {     data = alloc.allocate(j - i);     limit = avail = std::uninitialized_copy(i, j, data);      /* return a pointer to (one past) the last element that it initialized */ } template <  class T,  class A_> void Vec<T, A_>::uncreate() {      if (data)     {          // destroy(in reverse order) the elements that were constructed         iterator it = avail;          while (it != data)              // destory runs T's destructor for that object, rendering the storage uninitialized again             alloc.destroy(--it);         alloc.deallocate(data, limit - data);     }      // reset pointers to indicate that Vec is empty again     data = limit = avail =  0; } template <  class T,  class A_> void Vec<T, A_>::grow() {      // when growing, allocate twice as much space as currently in use     size_type new_size = std::max( 2 * (limit - data), ptrdiff_t( 1));      // allocate new space and copy elements to the new space     iterator new_data = alloc.allocate(new_size);     iterator new_avail = std::uninitialized_copy(data, avail, new_data);      // return the old space     uncreate();      // reset pointers to point to the newly allocated space     data = new_data;     avail = new_avail;     limit = data + new_size; } template <  class T,  class A_> // error C4519: 仅允许在类模板上使用默认模板参数 void Vec<T, A_>::unchecked_append( const T &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 < class T>  class allocator { public:     T *allocate(size_t);      void deallocate(T *, size_t);      void construct(T *, size_t);      void destroy(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 <  class In,  class For> For uninitialized_copy(In, In, For); template <  class For,  class T> void uninitialized_fill(For, For,  const T &);

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  namespace std; class Test { public:     Test()     {         cout <<  "Test ..." << endl;     }     Test( const Test &other)     {         cout <<  "copy Test ..." << endl;     }     ~Test()     {         cout <<  "~Test ..." << endl;     } }; int main( void) {     vector<Test> v2;     Test t1;     Test t2;     Test t3;     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.deallocate，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  namespace std; int main( 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 vs2008 下 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 * _Val at _Where     .....     size_type _Capacity = capacity();     .....      else  if (_Capacity < size() + _Count)     {          // not enough room, reallocate         _Capacity = max_size() - _Capacity /  2 < _Capacity                     ?  0 : _Capacity + _Capacity /  2;     // try to grow by 50%          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

Accelerated C++