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
...
};
下面给出vector的数据结构图：
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 */
根据以上成员函数的注释，这里对其中几个函数进一步详细的讲解：iterator erase(iterator first, iterator last)，void insert (iterator pos, size_type __n, const _Tp& x)；
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;
}
根据上面函数的定义，我们可以知道，迭代器start和end_of_storage并没有改变，只是调整迭代器finish，并析构待擦除元素对象；下面通过图解进行分析：
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;
}
}
}
下面对不同情况利用图解方式对插入函数进行分析：
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。