寫在前面

vector是我們在STL中最常用的容器，我們對它的各種操作也都瞭然於胸。然而我們在使用vector的時候總會有一種很虛的感覺，因為我們不清楚介面內部是如何實現的。在我們眼裡宛如一個黑箱，既危險又迷人。

為了打破這種顧慮，接下來我就帶大家深入vector底層，徹底弄懂vector介面內部實現細節，開啟這個黑箱。這樣在使用vector的時候我們也就不會慌了，做到真正的瞭然於胸。

vector 底層原理概述

vector是動態空間，隨著元素的增加，其內部機制會自行擴充空間來容納新元素。

vector動態增加大小時，並不是在原空間之後持續新空間（因為根本無法保證原空間之後尚有可供配置的空間），而是以原大小的兩倍另外配置一塊較大的空間，然後將內容複製過來，然後才開始在原內容之後構造新元素，並釋放原空間，

重點原始碼理解

１．迭代器內部型別

下面我們來看看STL原始碼裡面是如何來定義迭代器的吧。

template <class T, class Alloc = alloc>

class vector {

public:

// vector 的巢狀型別定義

typedef T value_type;

typedef value_type* iterator; // 迭代器本身是一個模板類的物件

typedef value_type& reference;

...

};

如上面程式碼所示，迭代器iterator本身是一個類型別，運算子*被過載。迭代器iterator指向vector的內部元素，可以理解為iterator與vector的內部元素捆綁在一起，其行為類似指標，但是又不能把它當作指標。

靈魂拷問一：迭代器與指標有什麼區別？

我們可以這樣理解，迭代器本質上就是模板類產生的一個物件，而其運算子*和->都是經過運算子過載實現的。這個物件指向vector的內部元素（元素又是迭代器的物件），所以當迭代器指向的元素被刪除或者移動，迭代器與元素就斷開連結，迭代器也就沒有用了，也就是我們通常說的迭代器失效。迭代器的行為類似指標，但是又有所區別。

反觀指標，指標與記憶體是聯絡在一起的。如果指標指向的記憶體地址儲存的元素被刪除或者移動，指標並不會因此失效，它依然指向了該地址。

根據上述定義，迭代器可以這樣宣告：

vector::iterator ivite;

vector::iterator svite;

看完上面的原始碼，我們也就清楚為什麼迭代器要這樣宣告瞭。

２．vector 的資料結構

vector使用兩個迭代器start和finish來表示已使用空間的範圍，並以迭代器end_of_storage指向分配空間的尾端。程式碼如下：

template <class T, class Alloc = alloc>

class vector {

...

protected:

iterator start; // 表示目前使用空間的頭

iterator finish; // 表示目前使用空間的尾，即最後一個元素的下一個元素

iterator end_of_storage; // 表示目前分配的整個空間的尾

...

};

利用以上三個迭代器，我們能夠封裝vector的各種成員函式。

template <class T, class Alloc = alloc>

class vector {

...

public:

iterator begin() { return start; }

iterator end() { return finish; }

size_type size() const { return size_type(end() - begin()); }

bool empty() const { return begin() == end(); }

reference front() { return *begin(); }

reference back() { return *(end() - 1); }

reference operator[](size_type n) { return *(begin() + n); }// 運算子[]過載，能夠使用迭代器來訪問元素

};

上面一些基礎操作已經一目瞭然了，這裡就不一一述說了。這裡只提兩點，第一，從上面程式碼可以看出operator對運算子[]進行了過載，這樣能夠使迭代器像陣列索引一樣遍歷vector。

第二，迭代器finish指向的是vector最後一個元素的下一個元素，封裝的end()函式也如此。這也就是我們常常說的vector的前閉後開特性。

靈魂拷問二：為什麼容器要設計成前閉後開的特性？

這樣做是為了在遍歷容器元素時減少判斷條件。因為STL的核心是泛型程式設計，使得設計的介面是通用的。由於只有部分容器支援>和<運算子過載，而!=則是全部容器都支援，所以遍歷元素的時候優先使用!=過載運算子。

如果將end()指向容器最後一個元素的下一個，則遍歷操作只需要寫成：

vector vec;

auto it = vec.begin();

while (it != vec.end()) {

...

++it;

}

但是如果end()指向的是最後一個元素，上述程式碼會少遍歷一個元素，這就需要在while迴圈裡增加額外的判斷條件，並且這個判斷條件可能因容器的不同要進行修改，而上述程式碼在任何順序容器都能這樣呼叫，減少了很多多餘工作。

３．vector 的元素操作

vector 的建構函式

vector的建構函式有多種形式，下面摘取原始碼中的部分程式碼：

// 建構函式，允許指定 vector 大小和初值

vector() : start(0), finish(0), end_of_storage(0) {}

vector(size_type n, const T& value) { fill_initialize(n, value); }

explicit vector(size_type n) { fill_initialize(n, T()); }

分別對應如下初始化：

vector vec;

vector vec(2,3);

vector vec(2);

push_back() 與 pop_back()

當我們以push_back()將新元素插入vector尾端時，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。如果沒有備用空間了，就擴充空間（重新配置、移動資料、釋放原空間）。

void push_back(const T& x) {

if (finish != end_of_storage) { // 還有備用空間

construct(finish, x);

++finish;

}

else // 已無備用空間

insert_aux(end(), x); // 插入函式

}

插入函式原型為：

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

這個函式比較長，具體思路：在有備用空間情況下，在備用空間起始處構造一個元素，迭代器finish自增一；在無備用空間情況下，重新配置兩倍的原記憶體空間，將原vector的內容複製到新vector中，再釋放掉原空間。

注：插入函式是將元素插入到對應位置，原先該位置以及後面的元素都向後移動一位。

刪除vector尾部元素操作pop_back()更加簡單。

void pop_back() {

--finish;

destroy(finish);

}

直接將尾部迭代器finish向前移動一位，然後釋放掉。由於尾部迭代器finish指向的是最後一個元素的下一位，所以減一後正好是原來的最後一個元素。

erase() 與 clear()

erase()表示刪除vector的某一個元素或者某一區間內的所有元素。

// 刪除 vector 的某一個位置的元素

iterator erase(iterator position) {

if (position + 1 != end())

copy(position + 1, finish, position);

--finish;

destroy(finish);

return position;

}

// 刪除 vector 的某一個區間的元素

iterator erase(iterator first, iterator last) {

iterator i = copy(last, finish, first);

destroy(i, finish);

finish = finish - (last - first);

return first;

}

如果不對erase()函式謹慎使用，可能會出現迭代器失效的問題。

靈魂拷問三：在什麼情況下使用erase()函式迭代器會失效？

通常我們寫出這樣的程式碼迭代器會失效。

for(auto it = vec.begin();it != vec.end();++it) {

if(/* 刪除某元素的判斷條件 */) {

vec.erase(it);

}

由靈魂拷問一可知，刪除元素後由於被刪除元素後面的資料都會發生移動，所以後面的迭代器都會失效。故上述程式碼在刪除了某個迭代器後，後面的++it遍歷已經失去意義，不會得到正確的結果。

那應該如何更改呢？由前面刪除vector的某一個位置的元素的原始碼可知，erase()返回的是一個迭代器，這個迭代器實際上是被刪除元素的下一個元素繫結的迭代器，這個迭代器是資料移動後新的有效的迭代器。也可以說是更新了迭代器。

正確的寫法為：

for(auto it = vec.begin();it != vec.end();) {

if(/* 刪除某元素的判斷條件 */) {

it = vec.erase(it); // 更新了迭代器

}

else {

++it;

}

clear()表示清空vector上的所有元素。

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

作者：程式設計異思坊

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STL原始碼剖析——vector容器

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