stl vector源码剖析

前言

     项目组要实现一个算法库，其中涉及到了类似vector的一维数组的实现。特此，对stl中得vector做个学习和了解。有任何问题，欢迎不吝指正。谢谢。

一、如何实现vector   

     如果给你一道面试题，如何用数据结构实现STL中vector的功能？聪明的你会怎么做呢?或许你会如下所述：

  • 或许，如果不考虑分配效率，只需要两个成员就可以实现了
    template
    class   Vector
    {
    public:
            Vector(int   nLen=0):m_nLen(nLen),m_Data(NULL)
            {
                    if(nLen   >   0)
                    {
                            m_Data   =   new   _Ty[nLen];
                    }
            }
    protected:
            _Ty   *   m_Data;
            int       m_nLen;
    };
  • 或许，如下一个简单的思路实现：

    #include  

    using   std::ostream;
    using   std::istream;

    class   Array   {
          friend   ostream   &operator < <(   ostream   &,   const   Array   &   );
          friend   istream   &operator> > (   istream   &,   Array   &   );

    public:
          Array(   int   =   10   );            
          Array(   const   Array   &   );  
          ~Array();                              
          int   getSize()   const;          

          const   Array   &operator=(   const   Array   &   );  
          bool   operator==(   const   Array   &   )   const;    

          bool   operator!=(   const   Array   &right   )   const    
          {  
                return   !   (   *this   ==   right   );  
         
          }  
         
          int   &operator[](   int   );                            
          const   int   &operator[](   int   )   const;    
         
    private:
          int   size;  
          int   *ptr;  

    };
  • 或许你会说，应该用模板写。当数组大小变化时，就直接new   当前大小，将旧有的或拷贝或加入新的东西加入，然后删除旧有的m_pData;并更新m_nLen;
    当数据大小不变化时，直接使用m_pData;。如果考虑分配效率，则还需要一个成员存储m_nMaxLen;实际的分配大小。 要记住一定删除旧的m_pData就可以。

    很快，你就会意识到，与其这样不知方向的摸着石头过河，不如直接拿来stl里的vector实现代码，来瞧个究竟。ok，下面，咱们来剖析下stl vector的实现。其中的分析借助了侯捷先生的stl源码剖析（大凡研究sgi stl源码，此书都不容忽略），然后再加入一些自己的理解。希望对你有所帮助（下面咱们分析的版本是sgi stl v2.9版）。

二、vector的类定义

    以下是vector定义的类中的一些数据成员和部分成员函数：

  1. template <class T, class Alloc = alloc>  // 预设使用 alloc 为配置器
  2. class vector {
  3. public:
  4.   // 以下标示 (1),(2),(3),(4),(5)，代表 iterator_traits 所服务的5個型别。
  5.   typedef T value_type;				// (1)
  6.   typedef value_type* pointer; 			// (2)
  7.   typedef const value_type* const_pointer;
  8.   typedef const value_type* const_iterator;
  9.   typedef value_type& reference; 		// (3)
  10.   typedef const value_type& const_reference;
  11.   typedef size_t size_type;
  12.   typedef ptrdiff_t difference_type; 	// (4)
  13.   // 以下，由于vector 所维护的是一个连续线性空間，所以不论其元素型別为何，
  14.   // 原生指标都可以做为其迭代器而满足所有需求。
  15.   typedef value_type* iterator;
  16.   /* 根据上述写法，如果客户端写出如下的代码：
  17.       vector::iterator is;
  18.       is 的型別其实就是Shape*
  19.       而STL 內部运用 iterator_traits::reference 时，获得 Shape&
  20.                  运用iterator_traits::iterator_category 时，获得
  21.                       random_access_iterator_tag		(5)
  22.       （此乃iterator_traits 针对原生指标的特化结果）
  23.   */
  24.   //此处省略了一些与本文主题相关性不大的内容.......
  25. protected:
  26.   // 专属之空间配置器，每次配置一個元素大小
  27.   typedef simple_alloc data_allocator;
  28.  
  29.   // vector采用简单的连续线性空间。以两个迭代器start和end分別指向头尾，
  30.   // 并以迭代器end_of_storage指向容量尾端。容量可能比(尾-头)还大，
  31.   // 多余即借用空間。
  32.   iterator start;   //表示目前使用空间的头
  33.   iterator finish;  //表示目前使用空间的尾
  34.   iterator end_of_storage;  //表示目前可用空间的尾
  35.  
  36.   void insert_aux(iterator position, const T& x);
  37.   void deallocate() {
  38.     if (start)
  39.          data_allocator::deallocate(start, end_of_storage - start);
  40.   }
  41.  
  42.   void fill_initialize(size_type n, const T& value) {
  43.     start = allocate_and_fill(n, value);  // 配置空间并设初值
  44.     finish = start + n;				// 调整水位
  45.     end_of_storage = finish; 			// 调整水位
  46.   }

  下面是另外一些成员操作函数的具体实现，

  1. public:
  2.   iterator begin() { return start; }
  3.   const_iterator begin() const { return start; }
  4.   iterator end() { return finish; }
  5.   const_iterator end() const { return finish; }
  6.   reverse_iterator rbegin() { return reverse_iterator(end()); }
  7.   const_reverse_iterator rbegin() const { 
  8.     return const_reverse_iterator(end()); 
  9.   }
  10.   reverse_iterator rend() { return reverse_iterator(begin()); }
  11.   const_reverse_iterator rend() const { 
  12.     return const_reverse_iterator(begin()); 
  13.   }
  14.   size_type size() const { return size_type(end() - begin()); }
  15.   size_type max_size() const { return size_type(-1) / sizeof(T); }
  16.   size_type capacity() const { return size_type(end_of_storage - begin()); }
  17.   bool empty() const { return begin() == end(); }
  18.   reference operator[](size_type n) { return *(begin() + n); }
  19.   const_reference operator[](size_type n) const { return *(begin() + n); }
  20.  
  21.   vector() : start(0), finish(0), end_of_storage(0) {}
  22.   // 以下建模式，允許指定大小 n 和初值 value
  23.   vector(size_type n, const T& value) { fill_initialize(n, value); }
  24.   vector(int n, const T& value) { fill_initialize(n, value); }
  25.   vector(long n, const T& value) { fill_initialize(n, value); }
  26.   explicit vector(size_type n) { fill_initialize(n, T()); }
  27.  
  28.   vector(const vector& x) {
  29.     start = allocate_and_copy(x.end() - x.begin(), x.begin(), x.end());
  30.     finish = start + (x.end() - x.begin());
  31.     end_of_storage = finish;
  32.   }
  33.  
  34.   template <class InputIterator>
  35.   vector(InputIterator first, InputIterator last) :
  36.     start(0), finish(0), end_of_storage(0)
  37.   {
  38.     range_initialize(first, last, iterator_category(first));
  39.   }
  40.  
  41.   vector(const_iterator first, const_iterator last) {
  42.     size_type n = 0;
  43.     distance(first, last, n);
  44.     start = allocate_and_copy(n, first, last);
  45.     finish = start + n;
  46.     end_of_storage = finish;
  47.   }
  48. #endif /* __STL_MEMBER_TEMPLATES */
  49.   ~vector() { 
  50.     destroy(start, finish);  // 全域函式，建构/解构基本工具。
  51.     deallocate();   // 先前定义好的成员函式
  52.   }
  53.   vector& operator=(const vector& x);
  54.   void reserve(size_type n) {
  55.     if (capacity() < n) {
  56.       const size_type old_size = size();
  57.       iterator tmp = allocate_and_copy(n, start, finish);
  58.       destroy(start, finish);
  59.       deallocate();
  60.       start = tmp;
  61.       finish = tmp + old_size;
  62.       end_of_storage = start + n;
  63.     }
  64.   }

三、vector中insert的实现    

    纷纷扰扰的细节，咱们一概忽略，最后，咱们来具体分析vector中insert（插入）一个元素的实现：

  1. // 從 position 开始，安插 n 個元素，元素初值为 x
  2. template <class T, class Alloc>
  3. void vector::insert(iterator position, size_type n, const T& x) {
  4.   if (n != 0) { // 当 n != 0  才進行以下所有动作
  5.     if (size_type(end_of_storage - finish) >= n) { 
  6.       // 借用空间大于等于 「新增元素个数」
  7.       T x_copy = x;
  8.       // 以下計算插入点之后的现有元素个数
  9.       const size_type elems_after = finish - position;	
  10.       iterator old_finish = finish;
  11.       if (elems_after > n) { 
  12.         // 「插入点之后的现有元素个数」大于「新增元素个数」
  13.         uninitialized_copy(finish - n, finish, finish);       //finish-n：整体后移
  14.         finish += n;	                                  //将vector 尾端标记后移           
  15.         copy_backward(position, old_finish - n, old_finish);  //插入点元素A后移至A‘，position->old—finish后移至old_finish
  16.         fill(position, position + n, x_copy);                 // 从插入点开始填入新值
  17.       }
  18.       else {	
  19.         // 「插入点之后的现有元素个数」小于等于「新增元素个数」
  20.         uninitialized_fill_n(finish, n - elems_after, x_copy);  //1.新增元素x_copy插入至finish处
  21.         finish += n - elems_after;                          //2.finish后移n_elems_after
  22.         uninitialized_copy(position, old_finish, finish); //3.腾出空间，position->old_finish
  23.         finish += elems_after;                             //4.finish再次后移
  24.         fill(position, old_finish, x_copy);                 //5.插入新元素，（x_copy）position->old_finish
  25.       }
  26.     }
  27.     else {
  28.       // 借用空間小于「新增元素个数」（那就必须配置额外的内存）
  29.       // 首先決定新长度：旧长度的兩倍，或旧长度+新增元素个数。
  30.       const size_type old_size = size();        
  31.       const size_type len = old_size + max(old_size, n);
  32.       // 以下配置新的vector 空間
  33.       iterator new_start = data_allocator::allocate(len);
  34.       iterator new_finish = new_start;
  35.       __STL_TRY {
  36.         // 以下首先将旧vector 的插入点之前的元素复制到新空间。
  37.         new_finish = uninitialized_copy(start, position, new_start);
  38.         // 以下再将新增元素（初值皆为n）填入新空间。
  39.         new_finish = uninitialized_fill_n(new_finish, n, x);
  40.         // 以下再將旧vector 的插入点之后的元素复制到新空间。
  41.         new_finish = uninitialized_copy(position, finish, new_finish);
  42.       }
  43. #         ifdef  __STL_USE_EXCEPTIONS 
  44.       catch(...) {
  45.         // 如有异常发生，实现 "commit or rollback" semantics.
  46.         destroy(new_start, new_finish);
  47.         data_allocator::deallocate(new_start, len);
  48.         throw;
  49.       }
  50. #         endif /* __STL_USE_EXCEPTIONS */
  51.       // 以下清除并释放旧的 vector 
  52.       destroy(start, finish);
  53.       deallocate();
  54.       // 以下調整水位标记
  55.       start = new_start;
  56.       finish = new_finish;
  57.       end_of_storage = new_start + len;
  58.     }
  59.   }
  60. }

    我想，如果本文只是单单给出上面的代码，你一定内心非常愤懑，道：晕，又是一篇什么鬼剖析，就一大堆代码加注释，看上去就是一堆乱码，有什么意思嘛。是的，我想，读者肯定并没有看懂上述insert的实现，那么，下面，请允许我引用stl源码剖析一书里面的三张图片，相信，看过图片之后，您就会对vector中insert的实现清晰不少了：

    如下图4-3b-1所示的情况是，备用空间为2，新增元素也为2，所以，备用空间>=新增元素个数，而插入点之后的元素个数为3大于新增元素个数2（原有元素个数3个+备用空间为2，共5个存储单位）。此种情况的处理方式是，相当于将插入点之后的原有的3个元素整体向后移2个单位，然后把要新增的2个元素从插入点处插入，刚好满足新增的2个元素加上原有的3个元素共同存储在5个单位的空间中。

 

    如下图4-3b-2所示，插入点之后的现有元素个数2<=新增元素个数3，此种情况的处理方式为：相当于将插入点之后的原有的3个元素整体向后移三个单位，然后把新增的3个元素从原插入点处插入：

    如果原有空间不够，那么vector将实施所谓的动态增加大小，而动态增加大小，并不是指在原空间之后接连续新空间（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，这点可以从上述insert的实现中的第二部分，当借用空間小于「新增元素個數」（那就必须配置额外的内存）可以看出来。

    如下图4-3b-3所示（另外，必须提醒的是，经过上述操作后，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。这是一般人会犯的错误，务必小心。 --侯捷如是说）：

四、vector的扩展

    最后，我再贴一段代码，相当于是vector的高效应用（或者说是拓展）：

  1. /*
  2.     Copyright (c) 2007-2011 iMatix Corporation
  3.     Copyright (c) 2007-2011 Other contributors as noted in the AUTHORS file
  5.     This file is part of 0MQ.
  7.     0MQ is free software; you can redistribute it and/or modify it under
  8.     the terms of the GNU Lesser General Public License as published by
  9.     the Free Software Foundation; either version 3 of the License, or
  10.     (at your option) any later version.
  12.     0MQ is distributed in the hope that it will be useful,
  13.     but WITHOUT ANY WARRANTY; without even the implied warranty of
  14.     MERCHANTABILITY or FITNESS FOR A PARTICULAR PURPOSE.  See the
  15.     GNU Lesser General Public License for more details.
  17.     You should have received a copy of the GNU Lesser General Public License
  18.     along with this program.  If not, see < http://www.gnu.org/licenses/>.
  19. */
  20.  
  21. #ifndef __ZMQ_ARRAY_INCLUDED__
  22. #define __ZMQ_ARRAY_INCLUDED__
  23.  
  24. #include 
  25. #include 
  26. //w++ 
  27. //从个人风格上来讲，一般要拒绝这种类中成员函数全部内联的用法。
  28.  
  29. namespace zmq
  30. {
  31.  
  32.     //  Base class for objects stored in the array. Note that each object can
  33.     //  be stored in at most one array.
  34.  
  35.     class array_item_t
  36.     {
  37.     public:
  38.  
  39.         inline array_item_t () :
  40.             array_index (-1)
  41.         {
  42.         }
  43.  
  44.         //  The destructor doesn't have to be virtual. It is mad virtual
  45.         //  just to keep ICC and code checking tools from complaining.
  46.         inline virtual ~array_item_t ()
  47.         {
  48.         }
  49.  
  50.         inline void set_array_index (int index_)
  51.         {
  52.             array_index = index_;
  53.         }
  54.  
  55.         inline int get_array_index ()
  56.         {
  57.             return array_index;
  58.         }
  59.  
  60.     private:
  61.  
  62.         int array_index;
  63.  
  64.         array_item_t (const array_item_t&);
  65.         const array_item_t &operator = (const array_item_t&);
  66.     };
  67.  
  68. 	// stl vector是一种简单高效的容器，在尾端插入和删除元素，算法时间复杂度为O(1)常数阶，其他元素的插入和删除为O(n)线性阶，
  69. 	// 其中n为vector容器的元素个数。vector具有自动的内存管理功能，对于元素的插入和删除，可动态调整所占用的内存空间。
  70.  
  71.     //  Fast array implementation with O(1) access to item, insertion and
  72.     //  removal. Array stores pointers rather than objects. The objects have
  73.     //  to be derived from array_item_t class.
  74.  
  75.     template <typename T> class array_t
  76.     {
  77.     public:
  78.  
  79.         typedef typename std::vector ::size_type size_type;
  80.  
  81.         inline array_t ()
  82.         {
  83.         }
  84.  
  85.         inline ~array_t ()
  86.         {
  87.         }
  88.  
  89.         inline size_type size ()
  90.         {
  91.             return items.size ();
  92.         }
  93.  
  94.         inline bool empty ()
  95.         {
  96.             return items.empty ();
  97.         }
  98.  
  99.         inline T *&operator [] (size_type index_)
  100.         {
  101.             return items [index_];
  102.         }
  103.  
  104.         inline void push_back (T *item_)
  105.         {
  106.             if (item_)
  107.                 item_->set_array_index (items.size ());
  108.             items.push_back (item_);
  109.         }
  110.  
  111.         inline void erase (T *item_) {
  112.             erase (item_->get_array_index ());
  113.         }
  114.  
  115.         inline void erase (size_type index_) {
  116.             if (items.back ())//back函数返回最末一个元素的引用
  117.                 items.back ()->set_array_index (index_);
  118.             items [index_] = items.back ();
  119.             items.pop_back ();
  120.         }
  121.  
  122.         inline void swap (size_type index1_, size_type index2_)
  123.         {
  124. 			//交换序号和内容
  125.             if (items [index1_])
  126.                 items [index1_]->set_array_index (index2_);
  127.             if (items [index2_])
  128.                 items [index2_]->set_array_index (index1_);
  129.             std::swap (items [index1_], items [index2_]);
  130.         }
  131.  
  132.         inline void clear ()
  133.         {
  134.             items.clear ();
  135.         }
  136.  
  137.         inline size_type index (T *item_)
  138.         {
  139.             return (size_type) item_->get_array_index ();
  140.         }
  141.  
  142.     private:
  143.  
  144.         typedef std::vector  items_t;
  145.         items_t items;
  146.  
  147.         array_t (const array_t&);
  148.         const array_t &operator = (const array_t&);
  149.     };
  150.  
  151. }
  152.  
  153. #endif

    说明：@555，在webkit中的WTF模块中，它里面的vector是直接放弃了STL的vector,它是利用google的tcmalloc来管理内存的，比stl的高效。

    参考：侯捷先生的stl源码剖析。

    ok，如果有任何问题，欢迎不吝指正。完。

注：本文转载自blog.csdn.net的v_JULY_v的文章"http://blog.csdn.net/v_july_v/article/details/6681522"。版权归原作者所有，此博客不拥有其著作权，亦不承担相应法律责任。如有侵权，请联系我们删除。
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