C++ 《STL源码剖析》学习-vector

　　本文章是笔者学习《STL源码剖析》的学习笔记，记录的是笔者的个人理解，因为个人的水平有限，难免会有理解不当的地方，而且该书出版的时间比较久，难免会有些不一样。如有不当，欢迎指出。

　　vector是c++中经常用到的数据结构，而且在面试时也会有提及，因此了解vector很重要。

　　一说到vector，我们就很容易想到另外一个与它十分相似的数据结构，关于它们之间显著的差别，我觉得是在于空间运用的灵活性上。数组是静态的，在声明的时候就要指明其具体的空间大小，而vector是动态的，随着元素的增加，它内部机制会自行扩充以容纳新元素。

---

　　这里提及一个问题。

#include <iostream>

int main() {
    int len;
    std::cin >> len;
    int arr[len];
    return 0;
}

　　如上的一小段代码，在VS中编译会报错，而在g++编译器中却能顺利通过，这里个人不是很理解，或许是跟编译器内部的编译规则有关系。

---

　　平时，我们要使用vector的时候，声明如下

std::vector<int> vec0;
std::vector<int> vec1(10);
std::vector<int> vec2(10, 0);

　　这短短的一句代码中，到底是做了些什么呢？

　　我们还是先看看书中给出的部分代码吧。

template <class T, class Alloc = alloc>
class vector {

...

protected:
  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;                  　　　　　　//表示目前可用空间的尾

  void fill_initialize(size_type n, const T& value) {
        start = allocate_and_fill(n, value);
        finish = start + n;
        end_of_storage = finish;
  }

   // 分配空间并填满内容
   iterator allocate_and_fill(size_type n, const T& x) {
        iterator result = data_allocator::allocate(n);
        uninitialized_fill_n(result, n, x);
        return result;
    }

...

public:
    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);}
    explicit vector(size_type n) {fill_initialize(n, T());}
...
}

　　上述中可以看到vector部分构造函数，其中默认构造函数只是把所有的迭代器都初始化为０，这是最简单的了，但注意它并没有申请内存空间。另外４个大同小异，都向堆申请了大小为n的内存空间，只是初始化这些空间的时候进行的操作不一样而已：３个用传入的形参来进行初始化，１个用T类型的值初始化T()来进行初始化。这４个构造函数都用同一个函数fill_initialize()来进行堆空间的申请并且初始化。现在让我们看看这个函数到底干了些什么。

void fill_initialize(size_type n, const T& value) {
        start = allocate_and_fill(n, value);
        finish = start + n;
        end_of_storage = finish;
}

　　这个函数不难理解，它要做的工作主要是初始化迭代器。它接受两个参数n和value，n指明了要申请的堆空间大小，value指明了要初始化这些堆空间的内容，并把它们传给另外一个函数allocate_and_fill() ,该函数才是真正的申请堆空间和初始化。接着fill_initialize()就根据allocate_and_fill() 返回的迭代器来初始化start迭代器，并且初始化finish和end_of_storage迭代器。

　　以下再让我们看看allocate_and_fill() 函数。

  // 分配空间并填满内容
iterator allocate_and_fill(size_type n, const T& x) {
         iterator result = data_allocator::allocate(n);
         uninitialized_fill_n(result, n, x);
         return result;
 }

　　从函数的名字我们都可以大概知道它是要干什么的了。它接受来自fill_initialize()的两个参数，该两个参数的含义在前面已提及。然后申请堆空间并初始化。data_allocator实质上就是simple_alloc<value_type, Alloc>，simple_alloc是SGI STL的空间配置器，SGI STL的空间配置器的简单介绍请点这里或自行谷歌。若果是SGI STL第一级配置器那么data_allocator::allocate()实质上就是直接调用c语言中的malloc()来申请堆空间；若是第二级配置器，就先考察申请区块是否大于128bytes，若是大于则转调用第一级配置器，否则就以内存池来管理，目的是为了避免太多小额区块造成内存碎片化。

　　在讲完data_allocator::allocate()后，我们不妨看看uninitialized_fill_n()，它定义在<stl_uninitialized.h>中。<stl_uninitialized.h>定义了一些全局函数，如uninitialized_fill_n()，用来填充或复制大块内存数据，以便提高效率。

template<class ForwardIterator, class SIze, class T>
ForwardIterator uninitialized_fill_n(ForwardIterator first, Size n, const T& x);

　　迭代器first指向将要初始化空间的起始处；n表示将要初始化空间的的大小；x表示初始化的值。如果[first，first+n)范围内的每一个迭代器都指向未初始化的内存，那么uninitialized_fill_n()会调用copy constructor，在该范围内产生x的副本，但注意一点是在此过程中若任何一个copy constructor丢出异常，uninitialized_fill_n()必须析构已产生的所有元素。

　　说完vector的构造，那么就先看看析构函数吧。

... ...

~vector() {
    destroy(start, finish);
    dellocate();
}

... ...

　　析构函数很简单，就调用两个函数:destroy()和dellocate()。destroy()负责对象的析构，这个下面将要讲述。dellocate()负责释放申请的堆空间。这里释放的方式又与空间配置器相关。若果是第一级配置器，就直接调用c语言中free()函数，这正如申请时的简便。但若果是第二级配置器，则比较复杂一些，具体请参考这里或自行谷歌。

　　上面的内容就是关于vector申请和释放堆空间的大概过程，但仅仅是申请和释放堆空间而已。

　　为了能继续下去，我们来看看下面的代码。

class Foo {..};
Foo* pf = new Foo;             // 分配内存，然后构造对象
delete pf;                     // 将对象析构，然后释放内存

　　上述的new操作符做了两件事:(1)分配内存(2)调用Foo::Foo()构造对象。

　　同样，delete操作符也做了两件事:(1)调用Foo::~Foo()将对象析构(2)释放内存

　　但是，在STL 配置器中为了精密分工，把这些操作都细分开来。具体来说就是

　　::construct()负责对象的构造

　　::destroy()负责对象的析构

　　alloc::allocate()负责内存分配

　　alloc::deallocate()负责内存释放

　　上面vector的内存操作所用到就是alloc::allocate()，alloc::deallocate()，这里就不在讲述了。

　　construct()和destroy()都包含在<stl_construct.h>内。

// 这是construct()函数
template <class T1, class T2>
inline void construct(T1* p, const T2& value) {
    new (P) T1(value);　　// placement new;调用T1::T1(value)
}

　　上述construct()接受一个指针p和一个初值value，该函数的用途就是将初值拷贝一份到指针所指的空间上，这个还是简单明了的。

　　接着是destroy()。这个函数有两个版本，先看第一个版本。

// 第一个版本
template <class T>
inline void destroy(T* pointer) {
    pointer->~T();
}

　　第一个版本接受一个指针，调用析构函数将该指针所指的对象析构。

// 第二个版本
template<class ForwardIterator, class T>
inline void destroy(ForwardIterator first, ForwardIterator last, T*) {
    __destroy(first, last, value_type(first));
}

　　第二版本接受first和last两个迭代器，将[first, last)范围内的所有对象析构掉。这里还要考虑效率问题，但代码上不再展开。

　　好了，对对象的构建和析构的过程有了基本的认识后，再看看vector的push_back()函数的实现吧

1 void push_back(const T& x) {
2     if (finish != end_of_storage) {
3         construct(finish, x);
4         ++finish;
5     } else {
6         insert_aux(end(), x);
7      }
8 }    

　　当我们把元素push_back到vector的尾端后，函数首先检查是否还有备用的空间，如果有的话就调用construct()函数，在finish迭代器指定的位置上构建x对象，同时改变finish迭代器，使其自增１。

　　然而若果没有备用空间，就需要扩充空间了，这就是insert_aux()函数所要做的。

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  
            {  
                // uninitialized_copy()的第一个参数指向输入端的起始位置
                // 第二个参数指向输入端的结束位置（前闭后开的区间)
                // 第三个参数指向输出端(欲初始化空间)的起始处

                // 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);  
                // 调整已使用迭代器的位置  
                ++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;  
        }  
    }            

　　从代码中可以知道，当备用空间不足时，vector做了以下的工作：

1. 重新分配空间(15~22行)：若原来的空间大小为0，则扩充空间为１，否则扩充为原来的两倍。
2. 移动数据（31～37行）
3. 释放原空间（47～48行）
4. 更新迭代器（51～53行)

　　当调用默认构造函数构造vector时，其空间大小为0，但当我们push_back一个元素到vector尾端时，vector就进行空间扩展，大小为１，以后每当备用空间用完了，就将空间大小扩展为原来的两倍。

　　注意的是，所谓动态增加大小，并不是在原空间之后接续新空间，（因为无法保证原空间之后上有可供分配的空间），而是以原大小的两倍来另外分配一块较大空间，因此，一旦空间重新分配，指向原vector的所有迭代器就会失效，这里要特别注意。

　　讲完push_back()函数，我们再看看pop_back()函数吧。

void pop_back() {
    --finish();                // 将尾端迭代器往前移一格,表示将放弃尾端元素
    destroy(finish);        　　// 析构对象
}

　　相比push_back()函数，pop_back()函数简单多了，这里就不再叙述。

---

　　到这里，对vector已经有了基本的认识了，当然还有一些函数，如erase()，就不再展开了，其实都是离不开四个主要操作：堆空间的申请与释放，对象的创建与销毁。

　　当然了，知道了不一定意味着用得好，平时还是要多加总结和训练的。

　　加油吧～～朝着一个新高度前进~~