STL源码：vector

朱雀 2022-08-07 06:43 217阅读 0赞

# **vector与array的相同与不同**： #

相同：

vector的数据安排以及操作方式与array很相似。

不同：

两者的差别主要是在空间运用的灵活上。

array是静态空间，一旦配置了就不能改变；如果要换个大的空间，就要由客户自己来完成：重新申请新空间，然后将元素都从旧地址搬移到新地址，再将原空间释放。

vector是动态空间，随着元素加入，其内部机制会自动扩充空间以容纳新元素。因此vector对于内存的合理利用与运用的灵活性是很好地。

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。

# vector源码及注释 #

要使用vector必须包含<vector>，但是SGI STL将vector实现于更底层的<stl\_vector.h>中。

//by blog.csdn.net/u013074465/
    #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，simple_alloc是SGI STL的空间配置器
        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, 此时不多分配内存,分配的空间就是size_type n个
            // 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:
        iterator begin() { return start; }
        iterator end() { return finish; }
    
        // 返回当前已经存储的对象个数
        size_type size() const { return size_type(end() - begin()); }
    
        //该函数返回运行程序的机器所可能含有的元素的个数（上限）
        //例如，在32位机器上，vector<int> ivec中，max_size()的结果是1073741823
        //这个结果是这样得到的：32位机器最大内存为4G，可以存储的字节数为4 * 1024 * 1024 * 1024
        //int型占用的空间为4字节，那么4G / 4 = 1073741824    
        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()
        {
            destroy(start, finish);    //析构对象
            deallocate();              //释放内存
        }
    
        vector<T, Alloc>& operator=(const vector<T, Alloc>& x);
    
        // 提供访问函数
        reference front() { return *begin(); }    //返回第一个元素
        reference back() { return *(end() - 1); } //返回末尾元素
    
        
        // 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）
                // 如果原大小不为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);
                    construct(new_finish, x);  //为新元素设定初值x
                    ++new_finish;              //调整水位
                    // 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)
        {
            if (n != 0)     //当n不等于0才进行所有操作
            {
                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
                        //也就是在原来容器的空间够用
                        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;
                }
            }
        }
    };

# insert操作图解 #

情况1：

![Center][]

情况2：

![Center 1][]

情况3：

![Center 2][]

[Center]: /images/20220805/4498c013305f47ef852d5e9982abb408.png
[Center 1]: /images/20220805/aea023c132684d52a3277d4af7c0e501.png
[Center 2]: /images/20220805/a697209f92444499a72fcf12c33d2a6c.png