1. vector
vector与数组array十分相似，但array是静态空间，而vector是动态空间，可以通过内部机制自行扩充空间，具有很好的灵活性。
其实现的关键在于对大小的控制和重新配置时的数据移动效率。
vector的型别定义如下:
template <class T, class Alloc = alloc>
class vector{
// ...
public:
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;
// ...
}
1.1 vector 的数据结构
很简单，就是线性连续空间，使用了三个迭代器来指示这段空间的范围
template <class T, class Alloc = alloc>
class vector{
// ...
protected:
iterator start; //表示目前使用空间的头
iterator finish; //表示目前使用空间的尾
iterator end_of_storage; //表示目前可用空间的尾
// ...
}
vector实际的配置大小一般会比需求量更大一些，我们用容量（capacity）表示vector当前的容量，而用大小（size）表示已经使用的空间大小。
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()); }
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); }
reference front() { return *begin(); }
reference back() { return *(end() - 1); }
// ...
}
1.2 vector的构造与内存管理： constructor， push_back
vector缺省使用第二章所介绍的alloc作为空间配置器，并用其定义了data_allocator进行配置。
template <class T, class Alloc = alloc>
class vector{
protected:
typedef simple_alloc<value_type, Alloc> data_allocator;
//于是 data_allocator::allocate(n)表示配置n个元素空间
// ...
//构造函数，允许vector大小n和初值value
vector<size_type n,const T& value){ fill_initialize(n, value); }
//填充并初始化
void fill_initialize(size_type n, const T& value){
start = allocate_and_fill(n, value);
finish = start + n;
end_of_storage = finish;
}
//配置后再填充
iterator allocate_and_fill(size_type n, const T& x){
iterator result = data_allocator::allocate(n);
//根据result的性别特性决定使用fill_n()或者反复调用construct()完成
uninitialized_fill_n(result, n, x);
return result;
}
当我们使用push_back()将新元素插入尾端时，必须先检查是否还有备用空间，若没有则必须扩充空间（重新配置、移动数据、释放原空间），一般是配置原空间大小的两倍的新空间，此时指向vector的所有迭代器都失效。
template <class T, class Alloc = alloc>
class vector{
public:
// 增加一個元素，做為最後元素
void push_back(const T& x) {
if (finish != end_of_storage) { // 還有備用空間
construct(finish, x); // 直接在備用空間中建構元素。
++finish; // 調整水位高度
}
else // 已無備用空間
insert_aux(end(), x);
}
//在position插入x
template <class T, class Alloc>
void vector<T, Alloc>::insert_aux(iterator position, const T& x) {
if (finish != end_of_storage) { // 還有備用空間
// 在備用空間起始處建構一個元素，並以vector 最後一個元素值為其初值。
construct(finish, *(finish - 1));
// 調整水位。
++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;
// 以上配置原則：如果原大小為0，則配置 1（個元素大小）；
// 如果原大小不為0，則配置原大小的兩倍，
// 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;
try {
// 將原vector 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;
// 将插入点到尾端的内容也考过了（因为insert也会调用insert_aux）
new_finish = uninitialized_copy(position, finish, new_finish);
}
catch(...) {
// "commit or rollback" 語意：若非全部成功，就一個不留。
destroy(new_start, new_finish);
data_allocator::deallocate(new_start, len);
throw;
}
// 解構並釋放原 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;
}
}
}
1.3 vectord的元素操作（pop_back, erase, clear, insert）
1.3.1 pop_back()
void pop_back() {
--finish; //尾端向前一格表示放弃最后一格
destroy(finish); // 全域函式，建構/解構基本工具。
}
1.3.2 erase()
//清除某个位置上的元素
iterator erase(iterator position) {
if (position + 1 != end()) // 如果 p 不是指向最後一個元素
// 將 p 之後的元素一一向前遞移
copy(position + 1, finish, position);
--finish; // 調整水位
destroy(finish); // 全域函式，建構/解構基本工具。
return position;
}
//清除[first, last)上的元素
iterator erase(iterator first, iterator last) {
iterator i = copy(last, finish, first);//将last及之后元素拷贝至first
destroy(i, finish); // 全域函式，建構/解構基本工具。
finish = finish - (last - first);
return first;
}
1.3.3 insert()
// 從 position 開始，安插 n 個元素，元素初值為 x
template <class T, class Alloc>
void vector<T, Alloc>::insert(iterator position, size_type n, const T& x) {
if (n != 0) { // 當 n != 0 才進行以下所有動作
if (size_type(end_of_storage - finish) >= n) {
// 備用空間大於等於「新增元素個數」
T x_copy = x;
// 以下計算安插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) {
// 「安插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); // 從安插點開始填入新值
}
else {
// 「安插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 {
// 備用空間小於「新增元素個數」（那就必須配置額外的内存）
// 首先決定新長度：舊長度的兩倍，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vector 的安插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 的安插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(...) {
// 如有異常發生，實現 "commit or rollback" semantics.
destroy(new_start, new_finish);
data_allocator::deallocate(new_start, len);
throw;
}
# endif /* __STL_USE_EXCEPTIONS */
// 以下清除並釋放舊的 vector
destroy(start, finish);
deallocate();
// 以下調整水位標記
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;
2 list
list实质上是一个双向链表，需要提供Bidirectional Iterators。
与vector不同，list的节点并不能保证存储于连续空间，但它每插入或删除一个元素就配置或释放一个元素空间，不造成空间浪费，同时插入和删除过程也是常数空间。
2.1 list的节点(node)
template<class T>
struct __list_node{
typedef void* void_pointer;
void_pointer prev;
void_pointer next;
T data;
}
2.2 list的迭代器
之前说过list的迭代器是Bidirectional Iterators，且需要提供递增、递减、取值、成员调用等操作。
同时，与vector更不同的是insert和splice等操作并不会导致list迭代器失效，而erase也只会导致指向被删除节点的迭代器失效。
// 串列專屬迭代器。既然撰寫串列迭代器避免不了要曝露串列的實作細節，
// 那麼就讓串列和串列迭代器一起設計好了。
template<class T, class Ref, class Ptr>
struct __list_iterator { // 未繼承 std::iterator
typedef __list_iterator<T, T&, T*> iterator;
typedef __list_iterator<T, const T&, const T*> const_iterator;
typedef __list_iterator<T, Ref, Ptr> self;
// 未繼承 std::iterator，所以必須自行撰寫五個必要的迭代器相應型別
typedef bidirectional_iterator_tag iterator_category; // (1)
typedef T value_type; // (2)
typedef Ptr pointer; // (3)
typedef Ref reference; // (4)
typedef __list_node<T>* link_type;
typedef size_t size_type;
typedef ptrdiff_t difference_type; // (5)
link_type node; // 保持與容器的聯結，指向list的节点
// 构造函数
__list_iterator(link_type x) : node(x) {}
__list_iterator() {}
__list_iterator(const iterator& x) : node(x.node) {}
// 迭代器必要的操作行為
bool operator==(const self& x) const { return node == x.node; }
bool operator!=(const self& x) const { return node != x.node; }
// 關鍵：對迭代器取值（dereference），取的是節點的数据值。
reference operator*() const { return (*node).data; }
#ifndef __SGI_STL_NO_ARROW_OPERATOR
//成员存取运算子的标准做法
pointer operator->() const { return &(operator*()); }
#endif /* __SGI_STL_NO_ARROW_OPERATOR */
// 參考 More Effective C++, item6: Distinguish between prefix and
// postfix forms of increment and decrement operators.
// 關鍵：對迭代器累加1，就是前進一個節點
self& operator++() {
node = (link_type)((*node).next);
return *this;
}
self operator++(int) {
self tmp = *this;
++*this;
return tmp;
}
// 對迭代器累減1，就是後退一個節點
self& operator--() {
node = (link_type)((*node).prev); // 關鍵
return *this;
}
self operator--(int) {
self tmp = *this;
--*this;
return tmp;
}
};
2.3 list的数据结构
list是一个双向链表，仅需要一个纸箱尾端的空白节点就能表现整个链表，且满足STL的“前闭后开”区间要求。
template<class T, class Alloc = alloc>
class list {
protected:
typedef __list_node<T> list_node;
typedef __list_iterator<T, T&, T*> iterator;
typedef __list_iterator<T, const T&, const T*> const_iterator;
public:
typedef list_node* link_type;
iterator begin() { return (link_type)((*node).next); }
const_iterator begin() const { return (link_type)((*node).next); }
// node 指向尾節點的下一位置，因此 node 符合STL對 end 的定義。
iterator end() { return node; }
const_iterator end() const { return node; }
reverse_iterator rbegin() { return reverse_iterator(end()); }
const_reverse_iterator rbegin() const {
return const_reverse_iterator(end());
}
reverse_iterator rend() { return reverse_iterator(begin()); }
const_reverse_iterator rend() const {
return const_reverse_iterator(begin());
}
bool empty() const { return node->next == node; }
size_type size() const {
size_type result = 0;
distance(begin(), end(), result); // 全域函式，定義於 <stl_iterator.h>
return result;
}
size_type max_size() const { return size_type(-1); }
// 取頭節點的內容（元素值）。
reference front() { return *begin(); }
const_reference front() const { return *begin(); }
// 取尾節點的內容（元素值）。
reference back() { return *(--end()); }
const_reference back() const { return *(--end()); }
protected:
link_type node;
//...
}
2.4list的构造与内存管理（constructor，push_back，insert）
list使用省却alloc作为空间配置器，定义list_node_allocator以节点为单位进行配置，使得list_node_allocator(n)表示配置n个节点空间,使得配置 释放 构造 销毁更简易。
template <class T, class Alloc = alloc>
class list {
public:
list(){ empty_initialize(); }//产生空链表
protected:
typedef __list_node<T> list_node;
//以节点为单位进行配置
typedef simple_alloc<list_node, Alloc> list_node_allocator;
//配置 释放 构造 销毁
// 配置一個節點並傳回
link_type get_node() { return list_node_allocator::allocate(); }
// 釋放一個節點
void put_node(link_type p) { list_node_allocator::deallocate(p); }
// 產生（配置並建構）一個節點，帶有元素值
link_type create_node(const T& x) {
link_type p = get_node();
__STL_TRY {
construct(&p->data, x); // 全域函式，建構/解構基本工具。
}
__STL_UNWIND(put_node(p));
return p;
}
// 摧毀（解構並釋放）一個節點
void destroy_node(link_type p) {
destroy(&p->data); // 全域函式，建構/解構基本工具。
put_node(p);
}
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