STL源碼剖析-vector

STL(Standard Template Library)

我們使用庫函數非常方便，且非常高效（相對於自己實現來說）。那如此好用的模板庫它的內里是什么樣的？它背着我們施展了什么“魔法”呢？我決定一探究竟，相信你也是一樣。我會選用部分重要代碼做分析，用來提升自己，希望后來的你在我的拙見中也能有自己的收獲。

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 vector

數據存儲方式：線性存儲（一塊連續內存），類似array。

相比於內置數組（不是array哦）的優勢：動態擴容。（其實也不算什么優勢，數組也完全可以做，只不過它把擴容過程高效安全地封裝了起來。）

相比於array，優勢就更大了，array的容量開始就是定死了的，無法擴容。

使用方法

#include <iostream>
#include <vector>
#include <algorithm>
using namespace std;

// unique_ptr::get vs unique_ptr::release
int main() 
{
    //初始化
    vector<int> vec;//聲明，未初始化
    vector<int> vec1(2, 5);//2個5 
    vector<int> vec2 = { 1, 2, 3, 4, 5 };//直接初始化

    //讀取元素
    cout << "第2個元素: " << vec2[1] << endl;
    cout << "首元素: " << vec2.front() << endl;
    cout << "尾元素: " << vec2.back() << endl;

    //插入元素
    vec1.insert(vec1.begin(), 999);//para1-插入位置，要迭代器即指針，para2-插入內容
    vec2.push_back(888);//尾部插入
    vec2.pop_back();//刪除尾部，類似於stack，所以有時候也可以把vector當stack用

    //刪除元素
    vec2.erase(vec2.end()-1);//參數也是迭代器類型，所以使用insert和erase時，最好用iterator來遍歷

    //排序
    sort(vec2.begin(), vec2.end());//給出首位指針
    sort(vec2.begin(), vec2.begin()+3);//甚至這樣也可以，因為iterator本身就是類型指針

    //遍歷--下標索引訪問
    cout << "vec1 : " ;
    for (int i = 0; i < vec1.size(); ++i)
    {
        cout << vec1[i] << " ";
    }

    //遍歷--迭代器指針訪問
    cout << "\nvec2 : ";
    vector<int>::iterator it;
    for (it=vec2.begin(); it != vec2.end(); ++it)
    {
        cout << *it << " ";
    }
41　　　//使用指針遍歷vector
　　　　auto vec = new vector<int>(10, 8);
　　　　for(int i=0; i<vec->size(); i++)
　　　　　　cout << (*vec)[i] << "  ";

    return 0;
}

好了，基本的用法就是這樣。

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 底層是怎么實現的呢？

在STL源碼中，vector類維護有三個迭代器（三個類型指針）start， finish， end_of_storage， 分別代表頭， 尾（實際使用的）， vector 存儲尾部（占用的，通常大於實際使用）。

當我們vector<TYPE>::iterator it;時，it就是TYPE* 類型指針，上述三個迭代器也是如此。

庫函數的實現呢？

我們可以看出，通過上述的三個指針，幾乎所有的操作都可以進行了。值得一提的是vector重載了[ ]，可以方便存取值。

需要注意的是，當我們訪問尾元素時，迭代器可不是*.end()，而是*.end()-1。

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 那么我們再來探討一下，有意思的東西。

 插入元素時，預設的end_of_storage不夠怎么辦？怎么進行擴容。

再看源碼！

整個的流程是：

1.先申請兩倍內存，判斷夠不夠，夠進入2；否則，分配需要的大小；

2.拷貝要插入點之前的內容

3.構造插入元素順次添加到后面

4.接着把之前插入點后面的內容拷貝到新的空間中

5.釋放原來空間

 

來看一下GCC的vector擴容過程，大概是，不夠就擴充為原來2倍，擴充為原來2倍還不夠，則擴充至需要大小。

int main()
{
    vector<int> vec;
    for(int i=0; i<20; i++)
    {
        cout << "vector size= " << vec.size() << endl;
        cout << "vector capacity= " << vec.capacity() << endl;
        //cout << "vector max_size= " << vec.max_size() << endl;
        vec.push_back(i);
    }
    cout << "最后一次, 插入100個元素 " << endl;
    vec.insert(vec.begin(), 100, 1);
    cout << "vector size= " << vec.size() << endl;
    cout << "vector capacity= " << vec.capacity() << endl;
    //cout << "vector max_size= " << vec.max_size() << endl;

    return 0;
}

但是，vector最大空間是固定的。

我用同一段代碼測試vector的最大空間 ，這里有一個疑問，要是超過額定最大空間又會怎么樣？最后有嘗試。

int main()
{
    vector<int> vec;
    for(int i=0; i<20; i++)
    {
        cout << "Max_size = " << vec.max_size() << endl;
        cout << "size = " << vec.size() << endl;
        vec.push_back(i);
        cout << "插入 " << i << endl;
    }
    return 0;
}

（1）GCC 10¹⁹

（2）MSVC 10⁹

 

超出上述max_size后，被系統拒絕insert了，我想那是它的極限了，不能突破。

至此，我們對STL vector的實現就差不多了解了，出去侃侃也足夠了。

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