Vector概述

vector是同一種類型的物件的集合，每個物件都有一個對應的整數索引值。屬於序列容器（vector,list,deque）的一種。

vector是一種允許快速隨機訪問其中元素的線性序列。關鍵在於其對大小的控制以及重新配置時的資料移動速率。

Vector空間分配策略

vector初始化會分配比客戶端需求量更大一些的空間，以便將來可能的擴充。

擴充空間需要經過的步驟：重新分配更大的空間，使用拷貝建構函式進行元素移動，呼叫解構函式銷燬舊物件，最後釋放舊記憶體空間。

具體過程：當新增一個元素時，如果容器已經沒有空間容納新的元素，此時，由於元素必須連續儲存以便索引訪問，所以不能在記憶體中隨機找個地方儲存這個新元素。於是vector必須重新分配儲存空間，用來存放原來的元素以及新新增的元素，存放在舊儲存空間的元素被複制到新儲存空間中，接著插入新元素，最後撤銷舊的儲存空間。每當vector容器不得不分配新的儲存空間時，以加倍當前容量的分配策略實現重新分配。

注意：一旦vector空間重新配置，則指向原來vector的所有迭代器都失效了，因為vector的地址改變了。

Vector的資料結構

Vector的定義摘要

#include<iostream>
using namespace std;
#include<memory.h>  

// alloc是SGI STL的空間配置器
template <class T, class Alloc = alloc>
class vector
{
public:
    // vector的巢狀型別定義,typedefs用於提供iterator_traits<I>支援
    typedef T value_type;
    typedef value_type* pointer;
    typedef value_type* iterator;
    typedef value_type& reference;
    typedef size_t size_type;
    typedef ptrdiff_t difference_type;

protected:
    // 這個提供STL標準的allocator介面
    typedef simple_alloc <value_type, Alloc> data_allocator;

    iterator start;               // 表示目前使用空間的頭
    iterator finish;              // 表示目前使用空間的尾
    iterator end_of_storage;      // 表示實際分配記憶體空間的尾

    void insert_aux(iterator position, const T& x);

    // 釋放分配的記憶體空間
    void deallocate()
    {
        if (start)
            data_allocator::deallocate(start, end_of_storage - start);
    }

    //填充並予以初始化
    void fill_initialize(size_type n, const T& value)
    {
        start = allocate_and_fill(n, value);
        finish = start + n;              
        end_of_storage = finish;
    }

public:
    iterator begin() { return start; }
    iterator end() { return finish; }

    size_type size() const { return size_type(end() - begin()); }
    size_type max_size() const { return size_type(-1) / sizeof(T); }
    size_type capacity() const { return size_type(end_of_storage - begin()); }
    bool empty() const { return begin() == end(); }
    reference operator[](size_type n) { return *(begin() + n); }

    //預設建構函式不分配記憶體空間
    vector() : start(0), finish(0), end_of_storage(0) {}

    vector(size_type n, const T& value) { fill_initialize(n, value); }
    vector(int n, const T& value) { fill_initialize(n, value); }
    vector(long n, const T& value) { fill_initialize(n, value); }
    
    //需顯示呼叫的建構函式
    explicit vector(size_type n) { fill_initialize(n, T()); }

    ~vector()
    {
        destroy(start, finish);
        deallocate();
    }

    // 提供訪問函式
    reference front() { return *begin(); }
    reference back() { return *(end() - 1); }

  
    void push_back(const T& x)
    {
        // 記憶體滿足條件則直接追加元素, 否則需要重新分配記憶體空間
        if (finish != end_of_storage)
        {
            construct(finish, x);
            ++finish;
        }
        else
            insert_aux(end(), x);
    }


    iterator insert(iterator position, const T& x)
    {
        size_type n = position - begin();
        if (finish != end_of_storage && position == end())
        {
            construct(finish, x);
            ++finish;
        }
        else
            insert_aux(position, x);
        return begin() + n;
    }

    iterator insert(iterator position) { return insert(position, T()); }

    void pop_back()
    {
        --finish;
        destroy(finish);
    }

    iterator erase(iterator position)
    {
        if (position + 1 != end())
            //後續元素向前移
            copy(position + 1, finish, position);
        --finish;
        destroy(finish);
        return position;
    }


    iterator erase(iterator first, iterator last)
    {
        iterator i = copy(last, finish, first);
        destroy(i, finish);
        finish = finish - (last - first);
        return first;
    }

    // 調整size, 但是並不會重新分配記憶體空間
    void resize(size_type new_size, const T& x)
    {
        if (new_size < size())
            erase(begin() + new_size, end());
        else
            insert(end(), new_size - size(), x);
    }
    void resize(size_type new_size) { resize(new_size, T()); }

    void clear() { erase(begin(), end()); }

protected:
    // 配置空間並填滿內容
    iterator allocate_and_fill(size_type n, const T& x)
    {
        iterator result = data_allocator::allocate(n);
        uninitialized_fill_n(result, n, x);
        return result;
    }
};
 

Vector的構造與記憶體管理

    void push_back(const T& x)
    {
        // 記憶體滿足條件則直接追加元素, 否則需要重新分配記憶體空間
        if (finish != end_of_storage)
        {
            construct(finish, x);
            ++finish;
        }
        else
            insert_aux(end(), x);
    }

    //空間不足，重新分配空間的具體操作
    template <class T, class Alloc>
    void insert_aux(iterator position, const T& x)
    {
        if (finish != end_of_storage)    // 還有備用空間
        {
            // 在備用空間起始處構造一個元素，並以vector最後一個元素值為其初值
            construct(finish, *(finish - 1));
            ++finish;
            T x_copy = x;
            copy_backward(position, finish - 2, finish - 1);
            *position = x_copy;
        }
        else   // 已無備用空間
        {
            const size_type old_size = size();
            const size_type len = old_size != 0 ? 2 * old_size : 1;
            // 以上配置元素：如果大小為0，則配置1（個元素大小）
            // 如果大小不為0，則配置原來大小的兩倍
            // 前半段用來放置原資料，後半段準備用來放置新資料

            iterator new_start = data_allocator::allocate(len);  // 實際配置
            iterator new_finish = new_start;
            // 將記憶體重新配置
            try
            {
                // 將原vector的安插點以前的內容拷貝到新vector
                new_finish = uninitialized_copy(start, position, new_start);
                // 為新元素設定初值 x
                construct(new_finish, x);
                // 調整水位
                ++new_finish;
                // 將安插點以後的原內容也拷貝過來
                new_finish = uninitialized_copy(position, finish, new_finish);
            }
            catch(...)
            {
                // 回滾操作
                destroy(new_start, new_finish);
                data_allocator::deallocate(new_start, len);
                throw;
            }
            // 析構並釋放原vector
            destroy(begin(), end());
            deallocate();

            // 調整迭代器，指向新vector
            start = new_start;
            finish = new_finish;
            end_of_storage = new_start + len;
        }
    }
 

Vector的元素操作：程式碼為insert

    template <class T, class Alloc>
    void insert(iterator position, size_type n, const T& x)
    {
        // 如果n為0則不進行任何操作
        if (n != 0)
        {
            if (size_type(end_of_storage - finish) >= n)
            {      
                // 剩下的備用空間大於等於“新增元素的個數”
                T x_copy = x;
                // 以下計算插入點之後的現有元素個數
                const size_type elems_after = finish - position;
                iterator old_finish = finish;
                if (elems_after > n)
                {
                    // 插入點之後的現有元素個數 大於 新增元素個數
                    uninitialized_copy(finish - n, finish, finish);
                    finish += n;    // 將vector 尾端標記後移
                    copy_backward(position, old_finish - n, old_finish);
                    fill(position, position + n, x_copy); // 從插入點開始填入新值
                }
                else
                {
                    // 插入點之後的現有元素個數 小於等於 新增元素個數
                    uninitialized_fill_n(finish, n - elems_after, x_copy);
                    finish += n - elems_after;
                    uninitialized_copy(position, old_finish, finish);
                    finish += elems_after;
                    fill(position, old_finish, x_copy);
                }
            }
            else
            {   // 剩下的備用空間小於“新增元素個數”（那就必須配置額外的記憶體）
                // 首先決定新長度：就長度的兩倍 ， 或舊長度+新增元素個數
                const size_type old_size = size();
                const size_type len = old_size + max(old_size, n);
                // 以下配置新的vector空間
                iterator new_start = data_allocator::allocate(len);
                iterator new_finish = new_start;
                __STL_TRY
                {
                    // 以下首先將舊的vector的插入點之前的元素複製到新空間
                    new_finish = uninitialized_copy(start, position, new_start);
                    // 以下再將新增元素（初值皆為n）填入新空間
                    new_finish = uninitialized_fill_n(new_finish, n, x);
                    // 以下再將舊vector的插入點之後的元素複製到新空間
                    new_finish = uninitialized_copy(position, finish, new_finish);
                }
#         ifdef  __STL_USE_EXCEPTIONS
                catch(...)
                {
                    destroy(new_start, new_finish);
                    data_allocator::deallocate(new_start, len);
                    throw;
                }
#         endif /* __STL_USE_EXCEPTIONS */
                destroy(start, finish);
                deallocate();
                start = new_start;
                finish = new_finish;
                end_of_storage = new_start + len;
            }
        }
    }

本系列文章目的為個人準備面試的簡單總結，文中多有不足，敬請批評指正!

參考：