http://blog.csdn.net/chenhanzhun/article/details/39287983
前言
在STL编程中,我们最常用到的就是容器,容器可分为序列容器和关联容器;本文记录的是我们经常使用的序列容器之vector,vector的数据安排和操作方式类似于C++内置数组类型array,唯一的区别就是在于空间的灵活运用。内置数组array是静态空间,一旦分配了内存空间就不能改变,而vector容器可以根据用户数据的变化而不断调整内存空间的大小。
vector容器有已使用空间和可用空间,已使用空间是指vector容器的大小,可用空间是指vector容器可容纳的最大数据空间capacity。vector容器是占用一段连续线性空间,所以vector容器的迭代器就等价于原生态的指针;vector的实现依赖于内存的配置和内存的初始化,以及迭代器。其中内存的配置是最重要的,因为每当配置内存空间时,可能会发生数据移动,回收旧的内存空间,如果不断地重复这些操作会降低操作效率,所有vector容器在分配内存时,并不是用户数据占多少就分配多少,它会分配一些内存空间留着备用,即是用户可用空间。关于vector类定义可参考《vector库文件》或者《MSDN库的vector类》;以下源代码在SGI STL的文件<stl_vector.h>中。
vector容器
vector容器的数据结构
vector容器采用的是线性连续空间的数据结构,使用两个迭代器来管理这片连续内存空间,这两个迭代器分别是指向目前使用空间的头start和指向目前使用空间的尾finish,两个迭代器的范围[start,finish)表示容器的大小size()。由于为了提高容器的访问效率,为用户分配内存空间时,会分配多余的备用空间,即容器的容量,以迭代器end_of_storage作为可用空间的尾,则容器的容量capacity()为[start,end_of_storage)范围的线性连续空间。
- //Alloc是SGI STL的空间配置器,默认是第二级配置器
- template <class _Tp, class _Alloc = __STL_DEFAULT_ALLOCATOR(_Tp) >
- class vector : protected _Vector_base<_Tp, _Alloc>
- {
- ...
- protected:
- _Tp* _M_start;//表示目前使用空间的头
- _Tp* _M_finish;//表示目前使用空间的尾
- _Tp* _M_end_of_storage;//表示目前可用空间的尾
- ...
- };
vector迭代器
vector容器维护的空间的线性连续的,所以普通指针也可以作为迭代器,满足vector的访问操作;如:operator*,operator->,operator++,operator--,operator+,operator-,operator+=,operator-=等操作;同时vector容器支持随机访问,所以,vector提供的是随机访问迭代器。
- //Alloc是SGI STL的空间配置器,默认是第二级配置器
- template <class _Tp, class _Alloc = __STL_DEFAULT_ALLOCATOR(_Tp) >
- class vector : protected _Vector_base<_Tp, _Alloc>
- {
- public://vector的内嵌型别定义,是iterator_traits<I>服务的类型
- typedef _Tp value_type;
- typedef value_type* pointer;
- typedef const value_type* const_pointer;
- typedef value_type* iterator;//vector容器的迭代器是普通指针
- typedef const value_type* const_iterator;
- ...
- public://以下定义vector迭代器
- iterator begin() { return _M_start; }//指向已使用空间头的迭代器
- const_iterator begin() const { return _M_start; }
- iterator end() { return _M_finish; }//指向已使用空间尾的迭代器
- const_iterator end() const { return _M_finish; }
- reverse_iterator rbegin()
- { return reverse_iterator(end()); }
- const_reverse_iterator rbegin() const
- { return const_reverse_iterator(end()); }
- reverse_iterator rend()
- { return reverse_iterator(begin()); }
- const_reverse_iterator rend() const
- { return const_reverse_iterator(begin()); }
- ...
- };
vector的构造函数和析构函数
这里把vector容器的构造函数列出来讲解,主要是我们平常使用vector容器时,首先要要定义相应的容器对象,所以,如果我们对vector容器的构造函数了解比较透彻时,在应用当中就会比较得心应手。在以下源码的前面我会总结出vector容器的构造函数及其使用方法。
- /*以下是vector容器的构造函数*******************************************
- /**********************************************************************
- *** //默认构造函数*****************************************************
- * explicit vector( const Allocator& alloc = Allocator() ); *
- *** //具有初始值和容器大小的构造函数***********************************
- * explicit vector( size_type count, *
- * const T& value = T(), *
- * const Allocator& alloc = Allocator()); *
- * vector( size_type count, *
- * const T& value, *
- * const Allocator& alloc = Allocator()); *
- *** //只有容器大小的构造函数*******************************************
- * explicit vector( size_type count ); *
- *** //用两个迭代器区间表示容器大小的构造函数***************************
- * template< class InputIt > *
- * vector( InputIt first, InputIt last, *
- * const Allocator& alloc = Allocator() ); *
- *** //拷贝构造函数*****************************************************
- * vector( const vector& other ); *
- * vector( const vector& other, const Allocator& alloc ); *
- *** //移动构造函数*****************************************************
- * vector( vector&& other ); *
- * vector( vector&& other, const Allocator& alloc ); *
- *** //用初始列表的值构造容器,列表内的元素值可以不同*******************
- * vector( std::initializer_list<T> init, *
- * const Allocator& alloc = Allocator() ); *
- ***********************************************************************/
- explicit vector(const allocator_type& __a = allocator_type())
- : _Base(__a) {}//默认构造函数
- vector(size_type __n, const _Tp& __value,
- const allocator_type& __a = allocator_type())
- : _Base(__n, __a)//构造函数,里面包含n个初始值为value的元素
- //全局函数,填充值函数,即从地址M_start开始连续填充n个初始值为value的元素
- { _M_finish = uninitialized_fill_n(_M_start, __n, __value); }
- explicit vector(size_type __n)//该构造函数不接受初始值,只接受容易包含元素的个数n
- : _Base(__n, allocator_type())
- { _M_finish = uninitialized_fill_n(_M_start, __n, _Tp()); }
- vector(const vector<_Tp, _Alloc>& __x)
- : _Base(__x.size(), __x.get_allocator())//拷贝构造函数
- { _M_finish = uninitialized_copy(__x.begin(), __x.end(), _M_start); }
- #ifdef __STL_MEMBER_TEMPLATES
- // Check whether it's an integral type. If so, it's not an iterator.
- /*这个是某个区间的构造函数,首先判断输入是否为整数_Integral()
- *采用__type_traits技术
- */
- template <class _InputIterator>
- vector(_InputIterator __first, _InputIterator __last,
- const allocator_type& __a = allocator_type()) : _Base(__a) {
- typedef typename _Is_integer<_InputIterator>::_Integral _Integral;
- _M_initialize_aux(__first, __last, _Integral());
- }
- template <class _Integer>
- //若输入为整数,则调用该函数
- void _M_initialize_aux(_Integer __n, _Integer __value, __true_type) {
- _M_start = _M_allocate(__n);
- _M_end_of_storage = _M_start + __n;
- _M_finish = uninitialized_fill_n(_M_start, __n, __value);
- }
- template <class _InputIterator>
- //若输入不是整数,则采用Traits技术继续判断迭代器的类型
- void _M_initialize_aux(_InputIterator __first, _InputIterator __last,
- __false_type) {
- _M_range_initialize(__first, __last, __ITERATOR_CATEGORY(__first));
- }
- #else
- vector(const _Tp* __first, const _Tp* __last,
- const allocator_type& __a = allocator_type())
- : _Base(__last - __first, __a)
- { _M_finish = uninitialized_copy(__first, __last, _M_start); }
- #endif /* __STL_MEMBER_TEMPLATES */
- ~vector() { destroy(_M_start, _M_finish); }//析构函数
vector容器的成员函数
vector容器的成员函数使我们访问容器时经常会用到,为了加深对其了解,这里单独对成员函数源码进行了详细的注解。
- /*以下是容器的一些成员函数*/
- size_type size() const//vector容器大小(已使用空间大小),即容器内存储元素的个数
- { return size_type(end() - begin()); }
- size_type max_size() const//返回可容纳最大元素数
- { return size_type(-1) / sizeof(_Tp); }
- size_type capacity() const//vector容器可用空间的大小
- { return size_type(_M_end_of_storage - begin()); }
- bool empty() const//判断容器是否为空
- { return begin() == end(); }
- reference operator[](size_type __n) { return *(begin() + __n); }//返回指定位置的元素
- const_reference operator[](size_type __n) const { return *(begin() + __n); }
- #ifdef __STL_THROW_RANGE_ERRORS
- //若用户要求的空间大于可用空间,抛出错去信息,即越界检查
- void _M_range_check(size_type __n) const {
- if (__n >= this->size())
- __stl_throw_range_error("vector");
- }
- reference at(size_type __n)//访问指定元素,并且进行越界检查
- { _M_range_check(__n); return (*this)[__n]; }//访问前,先进行越界检查
- const_reference at(size_type __n) const
- { _M_range_check(__n); return (*this)[__n]; }
- #endif /* __STL_THROW_RANGE_ERRORS */
- void reserve(size_type __n) {//改变可用空间内存大小
- if (capacity() < __n) {
- const size_type __old_size = size();
- //重新分配大小为n的内存空间,并把原来数据复制到新分配空间
- iterator __tmp = _M_allocate_and_copy(__n, _M_start, _M_finish);
- destroy(_M_start, _M_finish);//释放容器元素对象
- _M_deallocate(_M_start, _M_end_of_storage - _M_start);//回收原来的内存空间
- //调整迭代器所指的地址,因为原来迭代器所指的地址已经失效
- _M_start = __tmp;
- _M_finish = __tmp + __old_size;
- _M_end_of_storage = _M_start + __n;
- }
- }
- reference front() { return *begin(); }//返回第一个元素
- const_reference front() const { return *begin(); }
- reference back() { return *(end() - 1); }//返回容器最后一个元素
- const_reference back() const { return *(end() - 1); }
- void push_back(const _Tp& __x) {//在最尾端插入元素
- if (_M_finish != _M_end_of_storage) {//若有可用的内存空间
- construct(_M_finish, __x);//构造对象
- ++_M_finish;
- }
- else//若没有可用的内存空间,调用以下函数,把x插入到指定位置
- _M_insert_aux(end(), __x);
- }
- void push_back() {
- if (_M_finish != _M_end_of_storage) {
- construct(_M_finish);
- ++_M_finish;
- }
- else
- _M_insert_aux(end());
- }
- void swap(vector<_Tp, _Alloc>& __x) {
- /*交换容器的内容
- *这里使用的方法是交换迭代器所指的地址
- */
- __STD::swap(_M_start, __x._M_start);
- __STD::swap(_M_finish, __x._M_finish);
- __STD::swap(_M_end_of_storage, __x._M_end_of_storage);
- }
- iterator insert(iterator __position, const _Tp& __x) {//把x值插入到指定的位置
- size_type __n = __position - begin();
- if (_M_finish != _M_end_of_storage && __position == end()) {
- construct(_M_finish, __x);
- ++_M_finish;
- }
- else
- _M_insert_aux(__position, __x);
- return begin() + __n;
- }
- iterator insert(iterator __position) {
- size_type __n = __position - begin();
- if (_M_finish != _M_end_of_storage && __position == end()) {
- construct(_M_finish);
- ++_M_finish;
- }
- else
- _M_insert_aux(__position);
- return begin() + __n;
- }
- void insert (iterator __pos, size_type __n, const _Tp& __x)
- { //在pos位置连续插入n个初始值为x的元素
- _M_fill_insert(__pos, __n, __x); }
- void _M_fill_insert (iterator __pos, size_type __n, const _Tp& __x);
- void pop_back() {//取出最尾端元素
- --_M_finish;
- destroy(_M_finish);//析构对象
- }
- iterator erase(iterator __position) {//擦除指定位置元素
- if (__position + 1 != end())
- copy(__position + 1, _M_finish, __position);//后续元素前移一位
- --_M_finish;
- destroy(_M_finish);//析构对象
- return __position;
- }
- iterator erase(iterator __first, iterator __last) {//擦除两个迭代器区间的元素
- iterator __i = copy(__last, _M_finish, __first);//把不擦除的元素前移
- destroy(__i, _M_finish);//析构对象
- _M_finish = _M_finish - (__last - __first);//调整finish的所指的位置
- return __first;
- }
- void resize(size_type __new_size, const _Tp& __x) {//改变容器中可存储的元素个数,并不会分配新的空间
- if (__new_size < size()) //若调整后的内存空间比原来的小
- erase(begin() + __new_size, end());//擦除多余的元素
- else
- insert(end(), __new_size - size(), __x);//比原来多余的空间都赋予初值x
- }
- void resize(size_type __new_size) { resize(__new_size, _Tp()); }
- void clear() { erase(begin(), end()); }//清空容器
- // assign(), a generalized assignment member function. Two
- // versions: one that takes a count, and one that takes a range.
- // The range version is a member template, so we dispatch on whether
- // or not the type is an integer.
- /*该函数有两种类型:
- void assign( size_type count, const T& value );
- template< class InputIt >
- void assign( InputIt first, InputIt last );
- */
- //把容器内容替换为n个初始值为value
- void assign(size_type __n, const _Tp& __val) { _M_fill_assign(__n, __val); }
- void _M_fill_assign(size_type __n, const _Tp& __val);
- #ifdef __STL_MEMBER_TEMPLATES
- template <class _InputIterator>
- void assign(_InputIterator __first, _InputIterator __last) {
- typedef typename _Is_integer<_InputIterator>::_Integral _Integral;
- _M_assign_dispatch(__first, __last, _Integral());
- }
- template <class _Integer>
- void _M_assign_dispatch(_Integer __n, _Integer __val, __true_type)
- { _M_fill_assign((size_type) __n, (_Tp) __val); }
- template <class _InputIter>
- void _M_assign_dispatch(_InputIter __first, _InputIter __last, __false_type)
- { _M_assign_aux(__first, __last, __ITERATOR_CATEGORY(__first)); }
- template <class _InputIterator>
- void _M_assign_aux(_InputIterator __first, _InputIterator __last,
- input_iterator_tag);
- template <class _ForwardIterator>
- void _M_assign_aux(_ForwardIterator __first, _ForwardIterator __last,
- forward_iterator_tag);
- #endif /* __STL_MEMBER_TEMPLATES */
其中擦除函数是擦除输入迭代器之间的元素,但是没有回收内存空间,只是把内存空间作为备用空间,首先看下该函数的源代码:
- iterator erase(iterator __first, iterator __last) {//擦除两个迭代器区间的元素
- iterator __i = copy(__last, _M_finish, __first);//把不擦除的元素前移
- destroy(__i, _M_finish);//析构对象
- _M_finish = _M_finish - (__last - __first);//调整finish的所指的位置
- return __first;
- }
插入元素函数是在指定位置 position 上连续插入 n 个初始值为 x 的元素,根据插入元素个数和可用空间大小的比较,分别进行不同的初始化,详细见源码分析:
- void insert (iterator __pos, size_type __n, const _Tp& __x)
- { //在pos位置连续插入n个初始值为x的元素
- _M_fill_insert(__pos, __n, __x); }
- template <class _Tp, class _Alloc>
- void vector<_Tp, _Alloc>::_M_fill_insert(iterator __position, size_type __n,
- const _Tp& __x)
- {
- if (__n != 0) {//当n不为0,插入才有效
- if (size_type(_M_end_of_storage - _M_finish) >= __n) {//若有足够的可用空间,即备用空间不小于新插入元素个数
- _Tp __x_copy = __x;
- const size_type __elems_after = _M_finish - __position;//计算插入点之后的现有元素个数
- iterator __old_finish = _M_finish;
- //case1-a:插入点之后的现有元素个数大于新插入元素个数
- if (__elems_after > __n) {
- uninitialized_copy(_M_finish - __n, _M_finish, _M_finish);//把[finish-n,finish)之间的数据复制[finish,finish+n)
- _M_finish += __n;//调整迭代器finish所指的位置
- copy_backward(__position, __old_finish - __n, __old_finish);//把[position,old_finish-n)之间的数据复制[old_finish-n,old_finish)
- fill(__position, __position + __n, __x_copy);//在指定位置(插入点)填充初始值
- }
- //case1-b:插入点之后的现有元素个数不大于新插入元素个数
- else {
- uninitialized_fill_n(_M_finish, __n - __elems_after, __x_copy);//先在可用空间填入n-elems_after个初始值x
- _M_finish += __n - __elems_after;//调整迭代器finish
- uninitialized_copy(__position, __old_finish, _M_finish);//把[position,old_finish)之间的数据复制到[old_finish,finish)
- _M_finish += __elems_after;
- fill(__position, __old_finish, __x_copy);
- }
- }
- //case2:若备用空间小于新插入元素个数
- else {//若备用空间小于新插入元素个数,则分配新的空间
- //并把原始数据复制到新的空间,调整迭代器
- const size_type __old_size = size(); //获取原始空间的大小
- //新的空间为旧空间的两倍,或为旧空间+新增长元素个数
- const size_type __len = __old_size + max(__old_size, __n);
- //配置新的空间
- iterator __new_start = _M_allocate(__len);
- iterator __new_finish = __new_start;
- __STL_TRY {//把插入点之前的原始数据复制到新的空间
- __new_finish = uninitialized_copy(_M_start, __position, __new_start);
- //将新加入数据添加在[new_finish,new_finish+n)
- __new_finish = uninitialized_fill_n(__new_finish, __n, __x);
- //将插入点之后的原始数据复制到新空间
- __new_finish
- = uninitialized_copy(__position, _M_finish, __new_finish);
- }
- //释放原来空间的对象和内存
- __STL_UNWIND((destroy(__new_start,__new_finish),
- _M_deallocate(__new_start,__len)));
- destroy(_M_start, _M_finish);
- _M_deallocate(_M_start, _M_end_of_storage - _M_start);
- //调整迭代器所指的位置
- _M_start = __new_start;
- _M_finish = __new_finish;
- _M_end_of_storage = __new_start + __len;
- }
- }
- }
case1-a:对应的源代码解析中的case1-a情况;
case1-b:对应源码剖析中的case1-b情况:
case2:针对源码剖析的case2情况:
vector的操作符重载
关于操作符重载的这里只给出源代码的注释:
- template <class _Tp, class _Alloc>
- inline bool //操作符重载,判断两个容器是否相等,即容器大小和容器内容是否都相等
- operator==(const vector<_Tp, _Alloc>& __x, const vector<_Tp, _Alloc>& __y)
- {
- return __x.size() == __y.size() &&
- equal(__x.begin(), __x.end(), __y.begin());
- /*STL中equal函数的实现如下:
- * template<class InputIt1, class InputIt2>
- * bool equal(InputIt1 first1, InputIt1 last1, InputIt2 first2)
- * {
- * for (; first1 != last1; ++first1, ++first2)
- * {
- * if (!(*first1 == *first2))
- * {
- * return false;
- * }
- * }
- * return true;
- * }
- */
- }
- template <class _Tp, class _Alloc>
- inline bool
- operator<(const vector<_Tp, _Alloc>& __x, const vector<_Tp, _Alloc>& __y)
- {
- /*函数原型:
- template<class InputIt1, class InputIt2>
- bool lexicographical_compare(InputIt1 first1, InputIt1 last1,
- InputIt2 first2, InputIt2 last2)
- {
- for ( ; (first1 != last1) && (first2 != last2); first1++, first2++ ) {
- if (*first1 < *first2) return true;
- if (*first2 < *first1) return false;
- }
- return (first1 == last1) && (first2 != last2);
- }
- */
- return lexicographical_compare(__x.begin(), __x.end(),
- __y.begin(), __y.end());
- }
- #ifdef __STL_FUNCTION_TMPL_PARTIAL_ORDER
- template <class _Tp, class _Alloc>
- inline void swap(vector<_Tp, _Alloc>& __x, vector<_Tp, _Alloc>& __y)
- {
- __x.swap(__y);
- }
- template <class _Tp, class _Alloc>
- inline bool
- operator!=(const vector<_Tp, _Alloc>& __x, const vector<_Tp, _Alloc>& __y) {
- return !(__x == __y);
- }
- template <class _Tp, class _Alloc>
- inline bool
- operator>(const vector<_Tp, _Alloc>& __x, const vector<_Tp, _Alloc>& __y) {
- return __y < __x;
- }
- template <class _Tp, class _Alloc>
- inline bool
- operator<=(const vector<_Tp, _Alloc>& __x, const vector<_Tp, _Alloc>& __y) {
- return !(__y < __x);
- }
- template <class _Tp, class _Alloc>
- inline bool
- operator>=(const vector<_Tp, _Alloc>& __x, const vector<_Tp, _Alloc>& __y) {
- return !(__x < __y);
- }
- #endif /* __STL_FUNCTION_TMPL_PARTIAL_ORDER */
- template <class _Tp, class _Alloc>
- vector<_Tp,_Alloc>&
- vector<_Tp,_Alloc>::operator=(const vector<_Tp, _Alloc>& __x)
- {
- if (&__x != this) {
- const size_type __xlen = __x.size();
- if (__xlen > capacity()) {
- iterator __tmp = _M_allocate_and_copy(__xlen, __x.begin(), __x.end());
- destroy(_M_start, _M_finish);
- _M_deallocate(_M_start, _M_end_of_storage - _M_start);
- _M_start = __tmp;
- _M_end_of_storage = _M_start + __xlen;
- }
- else if (size() >= __xlen) {
- iterator __i = copy(__x.begin(), __x.end(), begin());
- destroy(__i, _M_finish);
- }
- else {
- copy(__x.begin(), __x.begin() + size(), _M_start);
- uninitialized_copy(__x.begin() + size(), __x.end(), _M_finish);
- }
- _M_finish = _M_start + __xlen;
- }
- return *this;
- }
总结
vector容器主要是对该数据结构的了解,并且掌握其中的成员函数,做到这两点,对vector容器的使用就比较方便了。