STL源码剖析----vector

vector容器概述
      vector的数据安排以及操作方式，与array非常相似。两者的唯一区别在于空间的运用的灵活性。array是静态空间，一旦配置了就不能改变；要换个大（或小）一点的房子，可以，一切琐细都得由客户端自己来：首先配置一块新空间，然后将元素从旧址一一搬往新址，再把原来的空间释还给系统。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。因此，vector的运用对于内存的合理利用与运用的灵活性有很大的帮助，我们再也不必因为害怕空间不足而一开始要求一个大块头的array了，我们可以安心使用array，吃多少用多少。
      vector的实现技术，关键在于其对大小的控制以及重新配置时的数据移动效率。一旦vector的旧有空间满载，如果客户端每新增一个元素，vector的内部只是扩充一个元素的空间，实为不智。因为所谓扩充空间（不论多大），一如稍早所说，是”配置新空间/数据移动/释还旧空间“的大工程，时间成本很高，应该加入某种未雨绸缪的考虑。稍后我们便可看到SGI vector的空间配置策略了。
      另外，由于vector维护的是一个连续线性空间，所以vector支持随机存取。
      注意：vector动态增加大小时，并不是在原空间之后持续新空间（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的空间，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。因此，对vector的任何操作，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。这是程序员易犯的一个错误，务需小心。
以下是vector定义的源代码摘录：

 #include<iostream>
 using namespace std;
 #include<memory.h>

 // alloc是SGI STL的空间配置器
 template <class T, class Alloc = alloc>
 class vector
 {
 public:
     // vector的嵌套类型定义,typedefs用于提供iterator_traits<I>支持
     typedef T value_type;
     typedef value_type* pointer;
     typedef value_type* iterator;
     typedef value_type& reference;
     typedef size_t size_type;
     typedef ptrdiff_t difference_type;
 protected:
     // 这个提供STL标准的allocator接口
     typedef simple_alloc <value_type, Alloc> data_allocator;

     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;      // 表示实际分配内存空间的尾

     void insert_aux(iterator position, const T& x);

     // 释放分配的内存空间
     void deallocate()
     {
         // 由于使用的是data_allocator进行内存空间的分配,
         // 所以需要同样使用data_allocator::deallocate()进行释放
         // 如果直接释放, 对于data_allocator内部使用内存池的版本
         // 就会发生错误
         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);
         finish = start + n;                         // 设置当前使用内存空间的结束点
         // 构造阶段, 此实作不多分配内存,
         // 所以要设置内存空间结束点和, 已经使用的内存空间结束点相同
         end_of_storage = finish;
     }

 public:
     // 获取几种迭代器
     iterator begin() { return start; }
     iterator end() { return finish; }

     // 返回当前对象个数
     size_type size() const { return size_type(end() - begin()); }
     size_type max_size() const { return size_type(-1) / sizeof(T); }
     // 返回重新分配内存前最多能存储的对象个数
     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); }

     // 本实作中默认构造出的vector不分配内存空间
     vector() : start(0), finish(0), end_of_storage(0) {}


     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); }

     // 需要对象提供默认构造函数
     explicit vector(size_type n) { fill_initialize(n, T()); }

     vector(const vector<T, Alloc>& x)
     {
         start = allocate_and_copy(x.end() - x.begin(), x.begin(), x.end());
         finish = start + (x.end() - x.begin());
         end_of_storage = finish;
     }

     ~vector()
     {
         // 析构对象
         destroy(start, finish);
         // 释放内存
         deallocate();
     }

     vector<T, Alloc>& operator=(const vector<T, Alloc>& x);

     // 提供访问函数
     reference front() { return *begin(); }
     reference back() { return *(end() - 1); }

     ////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////
     // 向容器尾追加一个元素, 可能导致内存重新分配
     ////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////
     //                          push_back(const T& x)
     //                                   |
     //                                   |---------------- 容量已满?
     //                                   |
     //               ----------------------------
     //           No  |                          |  Yes
     //               |                          |
     //               ↓                          ↓
     //      construct(finish, x);       insert_aux(end(), x);
     //      ++finish;                           |
     //                                          |------ 内存不足, 重新分配
     //                                          |       大小为原来的2倍
     //      new_finish = data_allocator::allocate(len);       <stl_alloc.h>
     //      uninitialized_copy(start, position, new_start);   <stl_uninitialized.h>
     //      construct(new_finish, x);                         <stl_construct.h>
     //      ++new_finish;
     //      uninitialized_copy(position, finish, new_finish); <stl_uninitialized.h>
     ////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////

     void push_back(const T& x)
     {
         // 内存满足条件则直接追加元素, 否则需要重新分配内存空间
         if (finish != end_of_storage)
         {
             construct(finish, x);
             ++finish;
         }
         else
             insert_aux(end(), x);
     }


     ////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////
     // 在指定位置插入元素
     ////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////
     //                   insert(iterator position, const T& x)
     //                                   |
     //                                   |------------ 容量是否足够 && 是否是end()?
     //                                   |
     //               -------------------------------------------
     //            No |                                         | Yes
     //               |                                         |
     //               ↓                                         ↓
     //    insert_aux(position, x);                  construct(finish, x);
     //               |                              ++finish;
     //               |-------- 容量是否够用?
     //               |
     //        --------------------------------------------------
     //    Yes |                                                | No
     //        |                                                |
     //        ↓                                                |
     // construct(finish, *(finish - 1));                       |
     // ++finish;                                               |
     // T x_copy = x;                                           |
     // copy_backward(position, finish - 2, finish - 1);        |
     // *position = x_copy;                                     |
     //                                                         ↓
     // data_allocator::allocate(len);                       <stl_alloc.h>
     // uninitialized_copy(start, position, new_start);      <stl_uninitialized.h>
     // construct(new_finish, x);                            <stl_construct.h>
     // ++new_finish;
     // uninitialized_copy(position, finish, new_finish);    <stl_uninitialized.h>
     // destroy(begin(), end());                             <stl_construct.h>
     // deallocate();
     ////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////

     iterator insert(iterator position, const T& x)
     {
         size_type n = position - begin();
         if (finish != end_of_storage && position == end())
         {
             construct(finish, x);
             ++finish;
         }
         else
             insert_aux(position, x);
         return begin() + n;
     }

     iterator insert(iterator position) { return insert(position, T()); }

     void pop_back()
     {
         --finish;
         destroy(finish);
     }

     iterator erase(iterator position)
     {
         if (position + 1 != end())
             copy(position + 1, finish, position);
         --finish;
         destroy(finish);
         return position;
     }


     iterator erase(iterator first, iterator last)
     {
         iterator i = copy(last, finish, first);
         // 析构掉需要析构的元素
         destroy(i, finish);
         finish = finish - (last - first);
         return first;
     }

     // 调整size, 但是并不会重新分配内存空间
     void resize(size_type new_size, const T& x)
     {
         if (new_size < size())
             erase(begin() + new_size, end());
         else
             insert(end(), new_size - size(), x);
     }
     void resize(size_type new_size) { resize(new_size, T()); }

     void clear() { erase(begin(), end()); }

 protected:
     // 分配空间, 并且复制对象到分配的空间处
     iterator allocate_and_fill(size_type n, const T& x)
     {
         iterator result = data_allocator::allocate(n);
         uninitialized_fill_n(result, n, x);
         return result;
     }

     // 提供插入操作
     ////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////
     //                 insert_aux(iterator position, const T& x)
     //                                   |
     //                                   |---------------- 容量是否足够?
     //                                   ↓
     //              -----------------------------------------
     //        Yes   |                                       | No
     //              |                                       |
     //              ↓                                       |
     // 从opsition开始, 整体向后移动一个位置                     |
     // construct(finish, *(finish - 1));                    |
     // ++finish;                                            |
     // T x_copy = x;                                        |
     // copy_backward(position, finish - 2, finish - 1);     |
     // *position = x_copy;                                  |
     //                                                      ↓
     //                            data_allocator::allocate(len);
     //                            uninitialized_copy(start, position, new_start);
     //                            construct(new_finish, x);
     //                            ++new_finish;
     //                            uninitialized_copy(position, finish, new_finish);
     //                            destroy(begin(), end());
     //                            deallocate();
     ////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////

     template <class T, class Alloc>
     void insert_aux(iterator position, const T& x)
     {
         if (finish != end_of_storage)    // 还有备用空间
         {
             // 在备用空间起始处构造一个元素，并以vector最后一个元素值为其初值
             construct(finish, *(finish - 1));
             ++finish;
             T x_copy = x;
             copy_backward(position, finish - 2, finish - 1);
             *position = x_copy;
         }
         else   // 已无备用空间
         {
             const size_type old_size = size();
             const size_type len = old_size != 0 ? 2 * old_size : 1;
             // 以上配置元素：如果大小为0，则配置1（个元素大小）
             // 如果大小不为0，则配置原来大小的两倍
             // 前半段用来放置原数据，后半段准备用来放置新数据

             iterator new_start = data_allocator::allocate(len);  // 实际配置
             iterator new_finish = new_start;
             // 将内存重新配置
             try
             {
                 // 将原vector的安插点以前的内容拷贝到新vector
                 new_finish = uninitialized_copy(start, position, new_start);
                 // 为新元素设定初值 x
                 construct(new_finish, x);
                 // 调整水位
                 ++new_finish;
                 // 将安插点以后的原内容也拷贝过来
                 new_finish = uninitialized_copy(position, finish, new_finish);
             }
             catch(...)
             {
                 // 回滚操作
                 destroy(new_start, new_finish);
                 data_allocator::deallocate(new_start, len);
                 throw;
             }
             // 析构并释放原vector
             destroy(begin(), end());
             deallocate();

             // 调整迭代器，指向新vector
             start = new_start;
             finish = new_finish;
             end_of_storage = new_start + len;
         }
     }

     ////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////
     // 在指定位置插入n个元素
     ////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////
     //             insert(iterator position, size_type n, const T& x)
     //                                   |
     //                                   |---------------- 插入元素个数是否为0?
     //                                   ↓
     //              -----------------------------------------
     //        No    |                                       | Yes
     //              |                                       |
     //              |                                       ↓
     //              |                                    return;
     //              |----------- 内存是否足够?
     //              |
     //      -------------------------------------------------
     //  Yes |                                               | No
     //      |                                               |
     //      |------ (finish - position) > n?                |
     //      |       分别调整指针                              |
     //      ↓                                               |
     //    ----------------------------                      |
     // No |                          | Yes                  |
     //    |                          |                      |
     //    ↓                          ↓                      |
     // 插入操作, 调整指针           插入操作, 调整指针           |
     //                                                      ↓
     //            data_allocator::allocate(len);
     //            new_finish = uninitialized_copy(start, position, new_start);
     //            new_finish = uninitialized_fill_n(new_finish, n, x);
     //            new_finish = uninitialized_copy(position, finish, new_finish);
     //            destroy(start, finish);
     //            deallocate();
     ////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////

     template <class T, class Alloc>
     void insert(iterator position, size_type n, const T& x)
     {
         // 如果n为0则不进行任何操作
         if (n != 0)
         {
             if (size_type(end_of_storage - finish) >= n)
             {      // 剩下的备用空间大于等于“新增元素的个数”
                 T x_copy = x;
                 // 以下计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;    // 将vector 尾端标记后移
                     copy_backward(position, old_finish - n, 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);
                     finish += n - elems_after;
                     uninitialized_copy(position, old_finish, finish);
                     finish += elems_after;
                     fill(position, old_finish, x_copy);
                 }
             }
             else
             {   // 剩下的备用空间小于“新增元素个数”（那就必须配置额外的内存）
                 // 首先决定新长度：就长度的两倍 ， 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空间
                 iterator new_start = data_allocator::allocate(len);
                 iterator new_finish = new_start;
                 __STL_TRY
                 {
                     // 以下首先将旧的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);
                     // 以下再将旧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(...)
                 {
                     destroy(new_start, new_finish);
                     data_allocator::deallocate(new_start, len);
                     throw;
                 }
 #         endif /* __STL_USE_EXCEPTIONS */
                 destroy(start, finish);
                 deallocate();
                 start = new_start;
                 finish = new_finish;
                 end_of_storage = new_start + len;
             }
         }
     }
 };