STL学习笔记--4序列式容器之vector

Posted 2020-07-16 chengyu779394084

常见的数据结构：array数组，list链表，tree树，stack栈，queue队列，hash table散列表，set集合，map映射……

根据数据在容器中的排列分为：序列式sequence和关联式associative。

序列式容器之vector

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1、vector VS array：

1. array是静态空间，一旦配置则无法改变；
2. vector是动态空间，随着元素的加入，内部机制会自动扩充新的空间来容纳新的元素。
   实现技术：对大小的控制和重新配置时的数据移动效率。
   扩充空间：配置新空间、数据移动、释放旧空间。

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2、定义摘要：

在SGI中，#include<stl_vector.h>
在STl标准中只需要#include<vector>

template <class T, class Alloc = alloc>
class vector {
public:
    //嵌套型别定义
    typedef T value_type;
    typedef value_type* pointer;
    //迭代器类型为随机存取类型
    //RandomAccessIterator
    typedef value_type* iterator; 
    typedef value_type& reference;
    typedef size_t size_type;

protect:
    //方便以元素为单位配置大小
    typedef simple_alloc<value_type, Alloc> data_allocator;

    //表示目前使用的空间头
    iterator start;
    //表示目前使用的空间尾
    iterator finish;
    //表示目前可用的空间尾
    iterator end_of_storage;

    //插入元素。有备用空间直接插入，无备用空间则进行空间分配
    void insert_aux(iterator position, const T& x);

    //调用全局deallocate来完成
    void deallocate() {
        if (start) 
            data_allocator::deallocate(start,end_of_storage - start);
  }

    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; }
    //容器使用的长度
    size_type size() const { 
        return size_type(end() - begin()); 
    }
    //容器可用的长度
    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); }

    //构造函数
    //默认构造函数
    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); }
    //显示版本的构造函数
    explicit vector(size_type n) { fill_initialize(n, T()); }

    //析构函数
    ~vector() { 
        destroy(start, finish);
        deallocate();
    }

    //第一个元素引用
    reference front() { return *begin(); }
    //最后一个元素引用
    reference back() { return *(end() - 1); }

    //push_back，调用了insert_aux
    void push_back(const T& x) {
    if (finish != end_of_storage) {//还有备用空间
      construct(finish, x);
      ++finish;
    }
    else//以无备用空间
      insert_aux(end(), x);
    }

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

    //erase版本一：接受一个迭代器
    iterator erase(iterator position) {
        if (position + 1 != end())
          copy(position + 1, finish, position);
        --finish;
        destroy(finish);
        return position;
    }
    //erase版本二：接受二个迭代器。清除迭代器范围的元素
    iterator erase(iterator first, iterator last) {
        iterator i = copy(last, finish, first);
        destroy(i, finish);
        finish = finish - (last - first);
        return first;
    }

    //resize()：为容器重新定义长度。
    //若new_size小于size则，丢弃多余部分
    //若new_size大于size则，空出的部分进行T类型的值初始化
    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());}

    //clear()清空容器
    void clear() { erase(begin(), end()); }

protected:
    //配置容器并填满内容，填n个x
    iterator allocate_and_fill(size_type n, const T& x) {
    iterator result = data_allocator::allocate(n);
    __STL_TRY {
        uninitialized_fill_n(result, n, x);
        return result;
    }
    __STL_UNWIND(data_allocator::deallocate(result, n));
  }

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3、vector迭代器

vector维护的是连续线性空间。支持随机存取，迭代器类型为RandomAccessIterator。

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4、vector数据结构

    //表示目前使用的空间头
    iterator start;
    //表示目前使用的空间尾
    iterator finish;
    //表示目前可用的空间尾
    iterator end_of_storage;

vector实际配置的大小总是大于等于客户端需求的大小，以备将来的扩充。

增加新元素时，如果超出当时容量，则容量进行两倍扩充；若两倍容量不足时，则扩充足够大的容量。

容量的扩充需要进行：重新配置、元素移动、释放旧空间。

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5、构造和内存管理：

vector缺省使用alloc作为空间配置器；

uninitialized_fill_n()根据第一个参数的型别特性type traits决定算法使用(__true_type)fill_n()或是反复调用(__false_type)construct()来完成。

    //push_back，调用了insert_aux
    void push_back(const T& x) {
    if (finish != end_of_storage) {//还有备用空间
      construct(finish, x);
      ++finish;
    }
    else//以无备用空间
      insert_aux(end(), x);
    }

算法实现：insert_aux(end(), x);

template <class T, class Alloc>
void vector<T, Alloc>::insert_aux(iterator position, const T& x) {
    if (finish != end_of_storage) {//还有备用空间
        //在备用空间起始处构造元素，以finish - 1位置处的值作为初值
        construct(finish, *(finish - 1));
        ++finish;
        T x_copy = x;
        //将[position,finish-2)处的值拷贝到[(finish - 1)-((finish - 2)-(position)),finish - 1)
        copy_backward(position, finish - 2, finish - 1);
        *position = x_copy;
    }
  else {//无备用空间
    const size_type old_size = size();
    //确定新构造的空间的长度
    //若旧空间为0，则构造1个
    //若旧空间非零，则构造旧空间的两倍
    const size_type len = old_size != 0 ? 2 * old_size : 1;

    iterator new_start = data_allocator::allocate(len);
    iterator new_finish = new_start;

    __STL_TRY {
        //旧空间的元素拷贝到新空间
        new_finish = uninitialized_copy(start, position, new_start);
        //新元素指定为x
        construct(new_finish, x);
        //调整使用空间大小
        ++new_finish;
        //新元素装入
        new_finish = uninitialized_copy(position, finish, new_finish);
    }

#ifdef  __STL_USE_EXCEPTIONS 
    //若新空间分配失败，则释放所有新分配的空间
    catch(...) {
      destroy(new_start, new_finish); 
      data_allocator::deallocate(new_start, len);
      throw;
    }
#endif /* __STL_USE_EXCEPTIONS */

    //释放旧空间
    destroy(begin(), end());
    deallocate();

    //调整迭代器，指向新空间
    start = new_start;
    finish = new_finish;
    end_of_storage = new_start + len;
  }
}

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6、元素操作：erase()

两个参数版本，释放局部区间的清除操作示意图：

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7、元素操作：insert()

insert(iterator position, size_type n, const T& x)

1、若备用空间大于等于新增元素个数
(end_of_storage-finish) >= n

    计算插入点之后现有的元素个数
    elems_after=finish-position;

    情况一：1)、若**插入点之后的现有元素个数**大于**新增元素个数**
    elems_after>n
    {
    uninitialized_copy(finish - n, finish, finish);
    finish += n;
    copy_backward(position, old_finish - n, old_finish);
    fill(position, position + n, x_copy);
    }

    情况二：2)、若**插入点之后的现有元素个数**小于等于**新增元素个数**
    elems_after<=n
    {
    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);
    }
2、若备用空间小于新增元素个数
(end_of_storage-finish) < n

    1)决定新的长度。旧长度的两倍或旧长度+新增元素个数。
    len=old_size+max(old_size,n)

    2)配置内存空间
    iterator new_start =data_allocator::allocate(len);
    iterator new_finish = new_start;

    情况三：3)数据元素的移动
    {
    //旧空间的插入点之前的元素copy到新空间
    new_finish = uninitialized_copy(start, position, new_start);
    //新增的元素初值为x，填入到新空间
    new_finish = uninitialized_fill_n(new_finish, n, x);
    //旧空间的插入点之后的元素copy到新空间
    new_finish = uninitialized_copy(position, finish, new_finish);
    }

3、如果分配新空间出现异常，则销毁新分配的内存，抛出异常
# ifdef  __STL_USE_EXCEPTIONS 
      catch(...) {
        destroy(new_start, new_finish);
        data_allocator::deallocate(new_start, len);
        throw;
      }
#endif /* __STL_USE_EXCEPTIONS */

4、清除并释放旧空间内存
      destroy(start, finish);
      deallocate();

5、调整迭代器，指向新空间
      start = new_start;
      finish = new_finish;
      end_of_storage = new_start + len;

情况一：备用空间充足，且elems_after>n

n=2; elems_after=2; 备用空间end_of_storage-finish=2;

情况二：备用空间充足，且elems_after<=n

n=4; elems_after=2; 备用空间end_of_storage-finish=3;

情况三：备用空间不足容纳新增元素

n=3; 备用空间end_of_storage-finish=2;