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C++ vector(STL vector)底层实现机制(通俗易懂)

STL 众多容器中,vector 是最常用的容器之一,其底层所采用的数据结构非常简单,就只是一段连续的线性内存空间。

通过分析 vector 容器的源代码不难发现,它就是使用 3 个迭代器(可以理解成指针)来表示的:
//_Alloc 表示内存分配器,此参数几乎不需要我们关心
template <class _Ty, class _Alloc = allocator<_Ty>>
class vector{
    ...
protected:
    pointer _Myfirst;
    pointer _Mylast;
    pointer _Myend;
};
其中,_Myfirst 指向的是 vector 容器对象的起始字节位置;_Mylast 指向当前最后一个元素的末尾字节;_myend 指向整个 vector 容器所占用内存空间的末尾字节。

图 1 演示了以上这 3 个迭代器分别指向的位置。


图 1 vector实现原理示意图

如图 1 所示,通过这 3 个迭代器,就可以表示出一个已容纳 2 个元素,容量为 5 的 vector 容器。

在此基础上,将 3 个迭代器两两结合,还可以表达不同的含义,例如:
  • _Myfirst 和 _Mylast 可以用来表示 vector 容器中目前已被使用的内存空间;
  • _Mylast 和 _Myend 可以用来表示 vector 容器目前空闲的内存空间;
  • _Myfirst 和 _Myend 可以用表示 vector 容器的容量。

对于空的 vector 容器,由于没有任何元素的空间分配,因此 _Myfirst、_Mylast 和 _Myend 均为 null。

通过灵活运用这 3 个迭代器,vector 容器可以轻松的实现诸如首尾标识、大小、容器、空容器判断等几乎所有的功能,比如:
template <class _Ty, class _Alloc = allocator<_Ty>>
class vector{
public:
    iterator begin() {return _Myfirst;}
    iterator end() {return _Mylast;}
    size_type size() const {return size_type(end() - begin());}
    size_type capacity() const {return size_type(_Myend - begin());}
    bool empty() const {return begin() == end();}
    reference operator[] (size_type n) {return *(begin() + n);}
    reference front() { return *begin();}
    reference back() {return *(end()-1);}
    ...
};

vector扩大容量的本质

另外需要指明的是,当 vector 的大小和容量相等(size==capacity)也就是满载时,如果再向其添加元素,那么 vector 就需要扩容。vector 容器扩容的过程需要经历以下 3 步:
  1. 完全弃用现有的内存空间,重新申请更大的内存空间;
  2. 将旧内存空间中的数据,按原有顺序移动到新的内存空间中;
  3. 最后将旧的内存空间释放。

这也就解释了,为什么 vector 容器在进行扩容后,与其相关的指针、引用以及迭代器可能会失效的原因。

由此可见,vector 扩容是非常耗时的。为了降低再次分配内存空间时的成本,每次扩容时 vector 都会申请比用户需求量更多的内存空间(这也就是 vector 容量的由来,即 capacity>=size),以便后期使用。
vector 容器扩容时,不同的编译器申请更多内存空间的量是不同的。以 VS 为例,它会扩容现有容器容量的 50%。

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