C++ vector的内部实现原理及基本用法

转自https://blog.csdn.net/u012658346/article/details/50725933

本文基于STL vector源代码，但是不考虑分配器allocator，迭代器iterator，异常处理try/catch等内容，同时对_Ucopy（）、 _Umove（）、 _Ufill（）函数也不会过度分析。

一、vector的定义

template<class _Ty,
    class _Ax>
    class vector
        : public _Vector_val<_Ty, _Ax>
    {   // varying size array of values
public:
    /********/
protected:
    pointer _Myfirst;   // pointer to beginning of array
    pointer _Mylast;    // pointer to current end of sequence
    pointer _Myend; // pointer to end of array
    };

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简单理解，就是vector是利用上述三个指针来表示的，基本示意图如下：

两个关键大小：
大小：size=_Mylast - _Myfirst；
容量：capacity=_Myend - _Myfirst；
分别对应于resize()、reserve()两个函数。
size表示vector中已有元素的个数，容量表示vector最多可存储的元素的个数；为了降低二次分配时的成本，vector实际配置的大小可能比客户需求的更大一些，以备将来扩充，这就是容量的概念。即capacity>=size，当等于时，容器此时已满，若再要加入新的元素时，就要重新进行内存分配，整个vector的数据都要移动到新内存。二次分配成本较高，在实际操作时，应尽量预留一定空间，避免二次分配。

二、构造与析构

1、构造
vector的构造函数主要有以下几种：

    vector() : _Mybase()
        {   // construct empty vector
        _Buy(0);
        }       
    explicit vector(size_type _Count) : _Mybase()
        {   // construct from _Count * _Ty()
        _Construct_n(_Count, _Ty());
        }
    vector(size_type _Count, const _Ty& _Val) : _Mybase()
        {   // construct from _Count * _Val
        _Construct_n(_Count, _Val);
        }
    vector(const _Myt& _Right) : _Mybase(_Right._Alval)
        {   // construct by copying _Right
        if (_Buy(_Right.size()))
            _Mylast = _Ucopy(_Right.begin(), _Right.end(), _Myfirst);
        }

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vector优异性能的秘诀之一，就是配置比其所容纳的元素所需更多的内存，一般在使用vector之前，就先预留足够空间，以避免二次分配，这样可以使vector的性能达到最佳。因此元素个数_Count是个远比元素值 _Val重要的参数，因此当构造一个vector时，首要参数一定是元素个数。
由上各构造函数可知，基本上所有构造函数都是基于_Construct _n() 的

    bool _Buy(size_type _Capacity)
        {   // allocate array with _Capacity elements
        _Myfirst = 0, _Mylast = 0, _Myend = 0;
        if (_Capacity == 0)    //_Count为0时，直接返回
            return (false);
        else
            {   // nonempty array, allocate storage
            _Myfirst = this->_Alval.allocate(_Capacity);  //分配内存，并更新成员变量
            _Mylast = _Myfirst;
            _Myend = _Myfirst + _Capacity;
            }
        return (true);
        }

    void _Construct_n(size_type _Count, const _Ty& _Val)
        {   // 构造含有_Count个值为_Val的元素的容器
        if (_Buy(_Count))
            _Mylast = _Ufill(_Myfirst, _Count, _Val);
        }

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这样就完成了vector容器的构造了。

2、析构
vector的析构函数很简单，就是先销毁所有已存在的元素，然后释放所有内存

    void _Tidy()
        {   // free all storage
        if (_Myfirst != 0)
            {   // something to free, destroy and deallocate it
            _Destroy(_Myfirst, _Mylast);
            this->_Alval.deallocate(_Myfirst, _Myend - _Myfirst);
            }
        _Myfirst = 0, _Mylast = 0, _Myend = 0;
        }

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三、插入和删除元素

vector的插入和删除元素是通过push_ back () 、 pop_back()两个接口来实现的，他们的内部实现也非常简单

    void push_back(const _Ty& _Val)
        {   // insert element at end
        if (size() < capacity())
            _Mylast = _Ufill(_Mylast, 1, _Val);
        else
            insert(end(), _Val);    //空间不足时，就会触发内存的二次分配
        }

    void pop_back()
        {   // erase element at end
        if (!empty())
            {   // erase last element
            _Destroy(_Mylast - 1, _Mylast);
            --_Mylast;
            }
        }

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四、其他接口

1、reserve()操作

之前提到过reserve（Count） 函数主要是预留Count大小的空间，对应的是容器的容量，目的是保证（_Myend - _Myfirst）>=Count。只有当空间不足时，才会操作，即重新分配一块内存，将原有元素拷贝到新内存，并销毁原有内存

    void reserve(size_type _Count)
        {   // determine new minimum length of allocated storage
        if (capacity() < _Count)
            {   // not enough room, reallocate
            pointer _Ptr = this->_Alval.allocate(_Count);
            _Umove(begin(), end(), _Ptr);
            size_type _Size = size();
            if (_Myfirst != 0)
                {   // destroy and deallocate old array
                _Destroy(_Myfirst, _Mylast);
                this->_Alval.deallocate(_Myfirst, _Myend - _Myfirst);
                }
            _Myend = _Ptr + _Count;
            _Mylast = _Ptr + _Size;
            _Myfirst = _Ptr;
            }
        }

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2、resize()操作
resize（Count） 函数主要是用于改变size的，也就是改变vector的大小，最终改变的是（_Mylast - _Myfirst）的值，当size < Count时,就插入元素，当size >Count时，就擦除元素。

    void resize(size_type _Newsize, _Ty _Val)
        {   // determine new length, padding with _Val elements as needed
        if (size() < _Newsize)
            _Insert_n(end(), _Newsize - size(), _Val);
        else if (_Newsize < size())
            erase(begin() + _Newsize, end());
        }

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3、_Insert_n()操作

resize()操作和insert()操作都会利用到_Insert_n()这个函数，这个函数非常重要，也比其他函数稍微复杂一点
虽然_Insert_n(_where, _Count, _Val ) 函数比较长，但是操作都非常简单，主要可以分为以下几种情况：

• 1、_Count == 0，不需要插入，直接返回

• 2、max_size() - size() < _Count，超过系统设置的最大容量，会溢出，造成Xlen（）异常

• 3、_Capacity < size() + _Count，vector的容量不足以插入Count个元素，需要进行二次分配，扩大vector的容量。 在VS下，vector容量会扩大50%，即 _Capacity = _Capacity + _Capacity / 2;
  若仍不足，则 _Capacity = size() + _Count;

    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;
            _Ptr = _Umove(_Myfirst, _VEC_ITER_BASE(_Where),_Newvec);    // copy prefix
            _Ptr = _Ufill(_Ptr, _Count, _Val);  // add new stuff
            _Umove(_VEC_ITER_BASE(_Where), _Mylast, _Ptr);  // copy suffix
            //内存释放与变量更新
            }

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这种情况下，数据从原始容器移动到新分配内存时是从前到后移动的

• 4、空间足够，且被插入元素的位置比较靠近_Mylast,即已有元素的尾部

  这种情况下不需要再次进行内存分配，且数据是从后往前操作的。首先是将where~last向后移动，为待插入数据预留Count大小的空间，然后从_Mylast处开始填充，然后将从where处开始填充剩余元素

    else if ((size_type)(_Mylast - _VEC_ITER_BASE(_Where)) < _Count)
            {   // new stuff spills off end
            _Umove(_VEC_ITER_BASE(_Where), _Mylast,
                _VEC_ITER_BASE(_Where) + _Count);   // copy suffix
            _Ufill(_Mylast, _Count - (_Mylast - _VEC_ITER_BASE(_Where)),
                _Val);  // insert new stuff off end
            _Mylast += _Count;
            std::fill(_VEC_ITER_BASE(_Where), _Mylast - _Count,
                _Val);  // insert up to old end
            }

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• 5、空间足够，但插入的位置比较靠前

            {   // new stuff can all be assigned
            _Ty _Tmp = _Val;    // in case _Val is in sequence

            pointer _Oldend = _Mylast;
            _Mylast = _Umove(_Oldend - _Count, _Oldend,
                _Mylast);   // copy suffix
            _STDEXT _Unchecked_move_backward(_VEC_ITER_BASE(_Where), _Oldend - _Count,
                _Oldend);   // copy hole
            std::fill(_VEC_ITER_BASE(_Where), _VEC_ITER_BASE(_Where) + _Count,
                _Tmp);  // insert into hole
            }

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4、erase()操作

iterator erase(const_iterator _First_arg,
        const_iterator _Last_arg)
        {   // erase [_First, _Last)
        iterator _First = _Make_iter(_First_arg);
        iterator _Last = _Make_iter(_Last_arg);

        if (_First != _Last)
            {   // worth doing, copy down over hole
            pointer _Ptr = _STDEXT unchecked_copy(_VEC_ITER_BASE(_Last), _Mylast,
                _VEC_ITER_BASE(_First));

            _Destroy(_Ptr, _Mylast);
            _Mylast = _Ptr;
            }
        return (_First);
        }

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主要操作就是将后半部分的有效元素向前拷贝，并将后面空间的无效元素析构，并更新_Mylast变量

5、assign()操作

assign()操作最终都会调用到下面的函数，主要操作是首先擦除容器中已有的全部元素，在从头开始插入Count个Val元素

void _Assign_n(size_type _Count, const _Ty& _Val)
        {   // assign _Count * _Val
        _Ty _Tmp = _Val;    // in case _Val is in sequence
        erase(begin(), end());
        insert(begin(), _Count, _Tmp);
        }

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五、基本使用
在经过上述对vector内部实现的分析后，再来理解相应接口就变得简单得多。
vector对外接口主要可以分为：

• 构造、析构：

ector<Elem> c
vector <Elem> c1(c2)
vector <Elem> c(n)
vector <Elem> c(n, elem)
vector <Elem> c(beg,end)
c.~ vector <Elem>()

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• 插入、删除、赋值

c.push_back(elem)
c.pop_back()
c.insert(pos,elem)
c.insert(pos,n,elem)
c.insert(pos,beg,end)
c.erase(pos)
c.erase(beg,end)
c.clear()
c.assign(beg,end)
c.assign(n,elem)

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• 大小相关

c.capacity()
c.max_size()
c.resize(num)
c.reserve()
c.size()

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• 获取迭代器

c.begin()
c.end()
c.rbegin()
c.rend()

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• 获取数据

operator[]
c.at(idx)
c.front()
c.back()