1 前言

上一篇 STL深入探究（一、空間配置器）我詳細總結了SGI STL採用的空間配置機制，這一篇來總結一下stl容器的底層實現機制。

2 序列式容器

2.1 Vector

Vector實現方式類似於“陣列”，與array的資料安排和操作方式非常類似，兩者唯一的差別就在於空間運用的靈活性。 array是靜態空間，一旦配置了就不能改變，要想換一個大點的空間，就必須由客戶自己實現：（1）配置一塊新空間；（2）將元素從舊址一一搬到新址；（3）釋放原空間。 而vector是動態空間，隨著元素的加入，它的內部機制會自行擴充空間以容納新元素。

2.1.1 vector的資料結構

vector的資料結構非常簡單：線性連續空間，以兩個迭代器start、finish分別指向配置得來的連續空間中目前已被使用的範圍，並以迭代器end_of_storage指向整塊連續空間的尾部。 為了降低空間配置的速度成本，vector的實際配置大小可能會比客戶端需求量更大，已備將來可能擴充。

2.1.2 vector 構造與記憶體管理

vector預設使用std::alloc作為空間配置器，並另外定義了一個data_allocator為了更方便以元素大小為配置單位。 當以push_back()函式將新元素插入vector尾端，該函式首先檢查是否還有備用空間，如果有就直接在備用空間上構造元素，並調整迭代器finish，使得vector變大；如果沒有備用空間，就擴充空間（重新配置（需求的兩倍）、移動資料、釋放原空間）。 對於vector支援的動態增加大小，並不是在原空間之後接續新空間（因為並不能保證原空間之後尚有足夠的可供配置的新空間），而是以原大小的兩倍另外配置一塊較大空間，然後將原空間內容拷貝過來，再開始在原內容之後構造新元素，並釋放原空間。 所以說，對vector的任何操作，一旦引起空間重新配置，指向原vector的所有迭代器就都失效。

2.2 list

相比較於vector的連續線性空間，list就比較複雜，每次插入或者刪除一個元素都會獨立的配置或釋放一個元素空間。list對於空間利用非常精準，不會浪費。 list是環狀雙向連結串列，我們在資料結構中都曾學習過它的特性與使用方法，不再多說。值的一提的是，list由於其雙向性，必須提供前移與後移的能力，所以提供BidirectionalIterators，而vector提供的是Random Access Iterators。 注： list有一個重要性質，插入（insert）和接合（splice）操作都不會造成原有的list迭代器失效。list的元素刪除（erase）操作僅僅“指向被刪除元素”的迭代器失效，其它迭代器不受影響。 vector並做不到這一點，因為vector的插入操作可能引起空間重新配置，這導致原有的迭代器全部失效。
另外，SGI list不僅僅是一個雙向連結串列，而且是一個環狀雙向連結串列，所以它只需一個指標即可完整表示整個結構。

2.3 deque

vector底層採用的是一個數組來實現，list底層採用的是一個環形的雙向連結串列實現，而deque則採用的是兩者相結合，所謂結合，並不是兩種資料結構的結合，而是某些效能上的結合。我們知道， vector支援隨機訪問，而list支援常量時間的刪除，deque支援的是隨機訪問以及首尾元素的插入刪除 。
deque與vector的最大差異，一在於deque允許常數時間內對起頭端進行元素的插入和刪除，二在於deque沒有所謂的容量概念，因為它是以分段連續空間組合而成，隨時可以增加一段新的空間並連線起來。換句話說，像vector那樣因舊空間不足而重新配置更大空間，複製元素，釋放原空間的事情，deque是不會出現的。也因此，deque不需要提供所謂的空間保留。

2.3.1 deque的資料結構

如上圖所示，deque是由一段一段的定量連續空間構造。一旦有必要在deque的前端或尾端增加新空間，便配置一段連續空間，串接在整個deque的頭部或尾部。 deque採用一塊所謂的map（不是STL的map容器）作為主控，這裡的map也是一塊連續空間，其中每個元素為一個節點（也是deque的迭代器），指向另一段較大的連續線性空間，稱為緩衝區，緩衝區才是deque的儲存空間主體。

2.3.2 deque的迭代器

下面，來看一下deque的迭代器設計。
舉例來說，如果deque中儲存20個元素，每個緩衝區大小為8，則需要20/8=3個緩衝區，所以map中會運用3個節點。deque的begin()和end()始終會返回map中節點的頭和尾，名為start和finish，其中，start的cur指向第一個緩衝區中的首元素，finish的cur指向最後一個緩衝區的最後一個元素的下一位置。

2.3.3 deque的構造和記憶體管理

deque的緩衝區擴充操作比較繁雜，此處僅僅擷取《STL原始碼剖析》的幾張圖展示，具體細節見書籍P153-166。




注：上面的連環圖解，充分展示了deque容器的空間處理。那麼現在就出現一個問題，什麼時候map需要重新整治？      如果無窮盡的向deque中儲存資料，map所含有的緩衝區肯定會填滿的。也就是說，當map的前端節點或後端節點備用空間不足時，map便也需要重新配置，依然是經過三個步驟，配置更大的、拷貝原來的、釋放原空間。