必须要注意的 C++ 动态内存资源管理(六)——vector的简单实现

必须要注意的 C++ 动态内存资源管理(六)——vector的简单实现


十六.myVector分析
        我们知道，vector类将其元素存放在连续的内存中。为了获得可接受的性能，vetor预先分配足够大的内存来保存可能需要的更多元素。vector的每个添加元素的成员函数会检查是否有空间容纳更多的元素。如果有，成员函数会在下一个可用位置构造一个对象。如果没有可用空间，vector就会重新分配空间；它获得新的空间，将已有元素移动到新空间中，释放旧空间，并添加新元素。         既然是动态开辟的内存，于是我们在myVector中使用动态数组来存储，而每次插入元素的时候需要先判断开辟的内存是否已满，如果满了需要重新分配内存。
        下面给出最初版本的代码：


//myVector.h
#include <memory>

template<typename T>
class myVector
{
public:
    typedef myVector<T> _Myt;
    myVector() :
        elements(nullptr), first_free(nullptr), cap(nullptr){}    // allocator成员进行默认初始化
    myVector(const _Myt&);
    _Myt& operator=(const _Myt&);
    ~myVector();
    T& operator[](size_t i){ return *(elements + i); }
    void push_back(const T&);                                      // 添加元素
    size_t size()const{ return first_free - elements; }
    size_t capacity()const{ return cap - elements; }
    T *begin()const{ return elements; }
    T *end()const{ return first_free; }
private:
    void chk_n()                           //被添加元素函数使用
    {
        if (size() == capacity())reallocate();
    }
    std::pair<T*, T*> n_copy
        (const T*, const T*);          //被拷贝构造，赋值运算符，析构函数使用
    void free();                       //销毁元素并释放内存
    void reallocate();                 //获得更多内存并拷贝已有元素

    T *elements;
    T *first_free;
    T *cap;
};

template<typename T>
myVector<T>::myVector(const _Myt& v)
{
    //调用alloc_n_copy 分配空间以容纳与s中一样多的元素
    auto newdata = n_copy(v.begin(), v.end());
    elements = newdata.first;
    first_free = cap = newdata.second;
}
template<typename T>
myVector<T>::~myVector()
{
    free();
}
template<typename T>
myVector<T>& myVector<T>::operator=(const _Myt& rhs)
{
    //调用alloc_n_copy分配内存,大小与rhs一样.
    auto data = n_copy(rhs.begin(), rhs.end());

    free();

    elements = data.first;
    first_free = cap = data.second;

    return *this;
}
template<typename T>
std::pair<T*, T*> myVector<T>::
n_copy(const T *b, const T *e)
{
    auto data = new T[e - b];
    for (auto i = b; i < e; i++)
        data[i-b] = *i;

    return{ data, data + (e - b) };
}
template<typename T>
void myVector<T>::push_back(const T& s)
{
    chk_n();                               //确保已有新空间
    *(first_free++) = s;
}

template<typename T>
void myVector<T>::free()
{
    delete[] elements;
}

template<typename T>
void myVector<T>::reallocate()
{
    //我们将分配当前大小两倍的内存空间
    auto newcapacity = size() ? 2 * size() : 1;

    //分配新内存
    auto newdata = new T[newcapacity];
    auto dest = newdata;
    auto elem = elements;

    //将数据从旧地址移动到新地址
    for (size_t i = 0; i != size(); ++i)
        *(dest++) = *(elem++);
    free();  //一旦更新完就要释放旧内存

    elements = newdata;
    first_free = dest;

    cap = elements + newcapacity;
}

        恩，以上代码实现了vector的部分功能，实现了vector内存的动态分配。不过，我们可以发现以上代码还是有几个可以优化的地方：
1.在分配内存的时候，new将内存分配和对象构造组合在了一起。但是在vector分配内存的时候，事实上有许多内存我们可能并用不上；而如果对于这些内存进行构造对象，可能就会带来不必要的开销。
2.在内存重新分配的时候，我们涉及到了旧数据的转移；不对，这里应该说是拷贝。虽然的确应该是转移，然而我们实现是通过拷贝。在c++11的时候提供了移动构造语义。它可以对于即将销毁(保证重新赋值前不再使用)的对象进行移动。这样对于某些支持移动语义的对象。移动比拷贝就可以带来更小的开销。
        恩，要进行以上的优化我们要先介绍：allocator类，移动语义。


十七.allocator类介绍
        new有一些灵活性的局限，一方面表现在它将内存分配和对象构造组合在一起。类似的，delete将对象析构和内存释放组合在一起。我们分配单个对象时，通常我们希望将内存和对象初始化放在一起。因为在这样的情况下，我们几乎已经知道了对象应当是什么值。
        当分配一大块内存时，我们通常计划在这块内存上按需构造对象。在这种情况下，我们就应该希望将内存分配和对象构造分离。这意味着我们可以分配大块内存，然而只有我们真正需要的时候才执行对象创建操作(同时付出一定开销)。
        标准库allocator类定义在头文件memory中，它帮助我们将内存分配和对象构造分离开来。


函数    介绍
allocator<T> a    定义了一个名为a的allocator对象，它可以为类型为T的对象分配内存。
a.allocate(n)    分配一段原始的，未构造的内存，保存n个类型为T的对象。
a.deallocate(p,n)    释放从T*指针p开始的内存，这块内存保存了n个类型为T的对象；p必须是一个先前由allocate返回的指针，且n必须是p创建时指定的大小。在调用deallocate之前，用户必须对每个在这块内存创建的内存调用destroy。
a.construct(p,args)    p必须是一个类型为T*的指针，指向一块原始内存；args被传递给类型为T的构造函数，用来在p指向的内存上构造一个对象。
a.destroy(p)    p为T*类型指针，此算法对p指向的对象执行析构函数。
        下面是一段简单的代码，介绍了如何使用allocator进行内存分配，对象构造，对象释放，内存回收。
int main()
{
    allocator<string>  alloc;          //这个对象可以用来分配 string 类型的内存。
    string* p = alloc.allocate(5);     //使用alloc对象分配5个string对象大的连续内存并将头指针给p。

    //allocate分配的内存在没有构造之前是不能使用的！！
    alloc.construct(p,"hello world");   //使用"hello world"构造string

    cout << *p << endl;       //输出刚才构造的string，输出hello world

    alloc.destroy(p);         //销毁刚才构造的对象

    alloc.deallocate(p,5);    //释放内存
    return 0;
}

        不仅这样，标准库还提供了一些算法让我们使用的时候更加方便： |函数|介绍| |—|—-| |uninitialized_copy(b,e,b2)|从迭代器b和e指出的输入范围中拷贝元素到迭代器b2指定的未构造的原始内存中。b2指向的内存必须足够大，能容纳输入序列中元素的拷贝。 |uninitialized_copy_n(b,n,b2)|从迭代器b指向的元素开始，拷贝n个元素到b2开始的内存中。 |uninitialized_fill(b,e,t)|在迭代器b,e指定的原始内存范围中创建对象，对象的值均为t的拷贝。 |uninitialized_fill_n(b,n,t)|从迭代器b指向的内存地址开始创建n个对象。b必须指向足够大的未构造原始内存，能够容纳给定数量的对象。
        值得注意的是，所有通过allocate分配的内存都必须通过deallocate去回收，而所有构造的对象都必须通过destroy去释放。所以这些拷贝算法都必须要求原始内存，如果内存上有对象，请先使用destroy释放！！


十八.移动语义介绍
        很多情况下都会发生对象拷贝，然而在其中某些情况下，对象拷贝后就会立即被销毁。在这些情况下，移动而非拷贝对象会大幅度提升性能。还有的情况诸如IO类或者unique_ptr这些类都包含不能共享的资源，因此这些类的对象也不能拷贝只能移动。         为了支持移动操作，在新标准中引入了一种新的引用类型 —— 右值引用。右值引用有个重要的性质：只能绑定到一个即将要销毁的对象上。因此我们可以自由地将一个右值引用的资源”移动”到另一个对象中。下面给出一些例子来表示哪些是右值：
int i = 42;                 
int &r = i;                   //正确：r引用i
int &&rr = i;                 //错误：不能将一个右值引用绑定到左值上
int &r2 = i * 42;             //错误：i * 42 是个右值
const int & r3 = i * 432;     //正确：我们可以把一个const引用绑定到右值上
int &&rr2 = i * 42;           //正确：右值引用绑定右值

        考察左值和右值的区别：左值有持久的状态，而右值要么是字面常量，要么是在表达式求值过程中或者是函数返回的时候创建的临时变量。
        因为变量是左值，所以我们不能将一个右值引用绑定到一个变量上，即使这个变量是一个右值引用类型也不行。所以为了解决这个问题，标准库提供了一个move函数，它可以用来获得绑定到左值上的右值引用。此函数定义在头文件utility中。
        我们可以销毁一个移后源对象，也可以赋予新值，但不能在赋新值之前使用移后源对象的值。
        根据以上所说，如果类也支持移动拷贝和移动赋值，那么也能在某些时候的初始化(赋值)的时候提高性能。如果要想让类支持移动语义，我们需要为其定义移动构造函数和移动赋值运算符。这两个函数的参数都是一个右值引用。就如同上面的代码，对于vector的移动我们只需要拷贝三个指针参数，而不是拷贝三个指针参数指向的值。


template<typename T>
myVector<T>::myVector(_Myt&& v):elements(v.elements),first_free(v.first_free),cap(v.cap){
    v.elements = v.first_free = v.cap = nullptr;
}

        值得注意的是，我们要保证移后源对象必须是可析构状态，而且如果移动构造(赋值)函数不抛出异常的话必须要标记为noexcept(primer p474)。         对于移动赋值运算符我们要保证能正确处理自我赋值：
template<typename T>
myVector<T>& myVector<T>::operator=(_Myt&& rhs)
{
    if (this != &rhs)
    {
        free();
        elements = rhs.elements;
        first_free = rhs.first_free;
        cap = rhs.cap;
        //将rhs置为可析构状态
        rhs.elements = rhs.first_free = rhs.cap = nullptr;
    }
}

        当然，和其他构造函数一样，如果我们没有定义移动构造函数的时候，编译器会给我们提供默认的移动构造函数。不过，前提是该类没有定义任何版本的拷贝控制函数以及每个非staitc成员变量都可以移动。编译器就会默认为它合成移动构造函数和移动赋值运算符。


十九.优化过后的Vector
        我们使用 allocate 和移动语义对以上的vector进行优化：
#pragma once

#include <memory>

template<typename T>
class myVector
{
public:
    typedef myVector<T> _Myt;
    myVector() :
        elements(nullptr), first_free(nullptr), cap(nullptr){}    // allocator成员进行默认初始化
    myVector(const _Myt&);
    myVector(_Myt&&);
    _Myt& operator=(const _Myt&);
    _Myt& operator=(_Myt&&);
    ~myVector();
    T& operator[](size_t i){ return *(elements + i); }
    void push_back(const T&);                                      // 添加元素
    size_t size()const{ return first_free - elements; }
    size_t capacity()const{ return cap - elements; }
    T *begin()const{ return elements; }
    T *end()const{ return first_free; }
private:
    static std::allocator<T> alloc;
    void chk_n_alloc()                           //被添加元素函数使用
    {
        if (size() == capacity())reallocate();
    }
    std::pair<T*, T*> alloc_n_copy
        (const T*, const T*);          //被拷贝构造，赋值运算符，析构函数使用
    void free();                       //销毁元素并释放内存
    void reallocate();                 //获得更多内存并拷贝已有元素

    T *elements;
    T *first_free;
    T *cap;
};

template<typename T>
std::allocator<T> myVector<T>::alloc;

template<typename T>
myVector<T>::myVector(const _Myt& v)
{
    //调用alloc_n_copy 分配空间以容纳与s中一样多的元素
    auto newdata = alloc_n_copy(v.begin(), v.end());
    elements = newdata.first;
    first_free = cap = newdata.second;
}
template<typename T>
myVector<T>::myVector(_Myt&& v):elements(v.elements),first_free(v.first_free),cap(v.cap){
    v.elements = v.first_free = v.cap = nullptr;
}

template<typename T>
myVector<T>::~myVector()
{
    free();
}
template<typename T>
myVector<T>& myVector<T>::operator=(const _Myt& rhs)
{
    //调用alloc_n_copy分配内存,大小与rhs一样.
    auto data = alloc_n_copy(rhs.begin(), rhs.end());

    free();

    elements = data.first;
    first_free = cap = data.second;

    return *this;
}
template<typename T>
myVector<T>& myVector<T>::operator=(_Myt&& rhs)
{
    if (this != &rhs)
    {
        free();
        elements = rhs.elements;
        first_free = rhs.first_free;
        cap = rhs.cap;
        //将rhs置为可析构状态
        rhs.elements = rhs.first_free = rhs.cap = nullptr;
    }
}

template<typename T>
std::pair<T*, T*> myVector<T>::
alloc_n_copy(const T *b, const T *e)
{
    auto data = alloc.allocate(e - b);

    //初始化并返回一个pair,该pair由data和uninitialized_copy组成
    return{ data, uninitialized_copy(b, e, data) };
}
template<typename T>
void myVector<T>::push_back(const T& s)
{
    chk_n_alloc();              //确保已有新空间
    alloc.construct(first_free++, s);
}

template<typename T>
void myVector<T>::free()
{
    //不能传递给deallocate一个空指针，如果elements为NULL,那么函数什么都不做
    if (elements)
    {
        //逆序销毁所有元素
        for (auto p = first_free; p != elements;/* 空 */)
            alloc.destroy(--p);
        alloc.deallocate(elements, cap - elements);
    }
}

template<typename T>
void myVector<T>::reallocate()
{
    //我们将分配当前大小两倍的内存空间
    auto newcapacity = size() ? 2 * size() : 1;

    //分配新内存
    auto newdata = alloc.allocate(newcapacity);

    //将数据从旧地址移动到新地址
    auto dest = newdata;
    auto elem = elements;

    for (size_t i = 0; i != size(); ++i)
        alloc.construct(dest++, std::move(*elem++));
    free();  //一旦更新完就要释放旧内存

    elements = newdata;
    first_free = dest;

    cap = elements + newcapacity;
}

        尽管，以上的代码vector只实现了vector很少的一部分功能，而且可能实现方式也有不足的地方。不过，在这里只是想体现动态内存的使用。所以，以上的代码还是可以作为c++动态内存管理的的示例的。


基本上c++动态内存管理的就介绍到这里了。