Последнее обновление：2026-10-12
Анализ исходников STL vector¶
0. Введение¶
Организация данных и способы работы у vector очень похожи на array. Единственное различие между ними — гибкость использования пространства: array статичен и после выделения не может измениться, тогда как vector — динамическое пространство: по мере добавления элементов его внутренний механизм сам расширяет пространство под новые элементы. Давайте вместе посмотрим на «внутренний механизм» vector и на то, как реализуется стратегия выделения пространства.
1. vector¶
В начале _Vector_base есть две строки, которые довольно трудны для понимания; разберём их по очереди:
1.1 _Tp_alloc_type¶
В начале определено:
В __gnu_cxx::__alloc_traits — соответствующий файл ext/alloc_traits.h:
template<typename _Tp>
struct rebind
{ typedef typename _Base_type::template rebind_alloc<_Tp> other; };
А _Base_type — это:
Поэтому приведённое выше эквивалентно:
Продолжаем искать в allocator_traits
Нашли:
Итак:
эквивалентно:
Краткие итоги
эквивалентно:
1.2 pointer¶
А pointer:
эквивалентно:
Согласно двум строкам ниже:
вновь эквивалентно:
В allocator_traits находим следующее:
/**
* @brief The allocator's pointer type.
*
* @c Alloc::pointer if that type exists, otherwise @c value_type*
*/
typedef __pointer pointer;
В комментарии сказано: если Alloc::pointer существует — это он, иначе value_type *.
Краткие итоги
typedef typename __gnu_cxx::__alloc_traits<_Tp_alloc_type>::pointer
pointer;
// 或者
typedef typename __gnu_cxx::__alloc_traits<allocator<_Tp>>::pointer
pointer;
эквивалентно
/**
* @brief The allocator's pointer type.
*
* @c Alloc::pointer if that type exists, otherwise @c value_type*
*/
typedef __pointer pointer;
Если существует _Tp_alloc_type::pointer, то есть если у allocator<_Tp> он есть, — это allocator<_Tp>::pointer,
что видно из исходников allocator.h:
Иначе — value_type*. А value_type — это:
Поэтому value_type* выводится как:
1.3 Управление памятью vector¶
В _Vector_base есть менеджер памяти — класс _Vector_impl; эта структура наследует allocator (что следует из эквивалентности из п. 1.1).
template<typename _Tp, typename _Alloc>
struct _Vector_base {
//__alloc_traits -> allocator_traits
// typedef allocator<_Tp> _Tp_alloc_type
typedef typename __gnu_cxx::__alloc_traits<_Alloc>::template
rebind<_Tp>::other _Tp_alloc_type;
// _Tp::value_type* or _Tp*
typedef typename __gnu_cxx::__alloc_traits<_Tp_alloc_type>::pointer
pointer;
struct _Vector_impl
: public _Tp_alloc_type {
pointer _M_start; // 使用空间起始位置
pointer _M_finish; // 使用空间结束位置
pointer _M_end_of_storage; // 可使用空间结束位置
_Vector_impl()
: _Tp_alloc_type(), _M_start(0), _M_finish(0), _M_end_of_storage(0) {}
_Vector_impl(_Tp_alloc_type const &__a)
// vector数据交换，只交换内存地址，不交换数据
void _M_swap_data(_Vector_impl &__x)
_GLIBCXX_NOEXCEPT
{
std::swap(_M_start, __x._M_start);
std::swap(_M_finish, __x._M_finish);
std::swap(_M_end_of_storage, __x._M_end_of_storage);
}
};
public:
typedef _Alloc allocator_type;
// 前面我们知道_Vector_impl继承自allocator分配器，而这个又是_Tp_alloc_type，所以这里返回的就是_M_impl的基类。
_Tp_alloc_type &
_M_get_Tp_allocator()
_GLIBCXX_NOEXCEPT
{ return *static_cast<_Tp_alloc_type *>(&this->_M_impl); }
const _Tp_alloc_type &
_M_get_Tp_allocator() const
_GLIBCXX_NOEXCEPT
{ return *static_cast<const _Tp_alloc_type *>(&this->_M_impl); }
allocator_type // 获取传递进来的分配器
get_allocator() const
_GLIBCXX_NOEXCEPT
{ return allocator_type(_M_get_Tp_allocator()); }
_Vector_base()
: _M_impl() {}
_Vector_base(const allocator_type &__a)
_GLIBCXX_NOEXCEPT
: _M_impl(__a) {}
_Vector_base(size_t __n)
: _M_impl() { _M_create_storage(__n); }
_Vector_base(size_t __n, const allocator_type &__a)
: _M_impl(__a) { _M_create_storage(__n); }
#if __cplusplus >= 201103L
_Vector_base(_Tp_alloc_type&& __a) noexcept
: _M_impl(std::move(__a)) { }
// 移动构造函数，只交换3个指针，不copy数据
_Vector_base(_Vector_base&& __x) noexcept
: _M_impl(std::move(__x._M_get_Tp_allocator()))
{ this->_M_impl._M_swap_data(__x._M_impl); }
_Vector_base(_Vector_base&& __x, const allocator_type& __a)
: _M_impl(__a)
{
if (__x.get_allocator() == __a)
this->_M_impl._M_swap_data(__x._M_impl);
else
{
size_t __n = __x._M_impl._M_finish - __x._M_impl._M_start;
_M_create_storage(__n);
}
}
#endif
~_Vector_base()
_GLIBCXX_NOEXCEPT
{
_M_deallocate(this->_M_impl._M_start, this->_M_impl._M_end_of_storage
- this->_M_impl._M_start);
}
public:
_Vector_impl _M_impl;
pointer _M_allocate(size_t __n) {
typedef __gnu_cxx::__alloc_traits <_Tp_alloc_type> _Tr;
return __n != 0 ? _Tr::allocate(_M_impl, __n) : 0; // 同_M_deallocate，一直往后调用的就是malloc函数
}
void _M_deallocate(pointer __p, size_t __n) {
typedef __gnu_cxx::__alloc_traits <_Tp_alloc_type> _Tr;
if (__p)
_Tr::deallocate(_M_impl, __p, __n); // 最后调用allocator_traits的deallocate,而该函数又是根据传递进来的_M_impl进行deallocate,一直往后，最后调用的就是free函数
}
private:
void _M_create_storage(size_t __n) {
this->_M_impl._M_start = this->_M_allocate(__n);
this->_M_impl._M_finish = this->_M_impl._M_start;
this->_M_impl._M_end_of_storage = this->_M_impl._M_start + __n;
}
};
Итог: _Vector_base специально отвечает за управление памятью vector; внутренний класс _M_impl через наследование от _Tp_alloc_type (то есть allocator) получает функции выделения и освобождения памяти; _M_allocate и _M_deallocate соответственно выделяют и освобождают память, используемую vector, а самому vector остаётся лишь конструировать и разрушать элементы.
В vector аллокатор памяти по умолчанию — std::allocator<_Tp>
template<typename _Tp, typename _Alloc = std::allocator<_Tp>>
class vector : protected _Vector_base<_Tp, _Alloc> {
}
template<typename _Tp, typename _Alloc = std::allocator<_Tp>>
class vector : protected _Vector_base<_Tp, _Alloc> {
typedef _Vector_base<_Tp, _Alloc> _Base;
typedef typename _Base::_Tp_alloc_type _Tp_alloc_type;
public:
typedef typename _Base::pointer pointer;
protected:
using _Base::_M_allocate;
using _Base::_M_deallocate;
using _Base::_M_impl;
using _Base::_M_get_Tp_allocator;
}
2. Итераторы vector¶
В vector используются два вида итераторов: прямой __normal_iterator и обратный итератор reverse_iterator:
Прямой:
typedef __gnu_cxx::__normal_iterator <pointer, vector> iterator;
typedef __gnu_cxx::__normal_iterator <const_pointer, vector> const_iterator;
typedef std::reverse_iterator<const_iterator> const_reverse_iterator;
typedef std::reverse_iterator<iterator> reverse_iterator;
__normal_iterator и reverse_iterator оба определены в stl_iterator.h и инкапсулируют указатель на элементы vector.
2.1 Прямой¶
template<typename _Iterator, typename _Container>
class __normal_iterator
{
protected:
_Iterator _M_current;
typedef iterator_traits<_Iterator> __traits_type;
public:
typedef _Iterator iterator_type;
// iterator必须包含的五种typedef
typedef typename __traits_type::iterator_category iterator_category;
typedef typename __traits_type::value_type value_type;
typedef typename __traits_type::difference_type difference_type;
typedef typename __traits_type::reference reference;
typedef typename __traits_type::pointer pointer;
_GLIBCXX_CONSTEXPR __normal_iterator() _GLIBCXX_NOEXCEPT
: _M_current(_Iterator()) { }
explicit
__normal_iterator(const _Iterator& __i) _GLIBCXX_NOEXCEPT
: _M_current(__i) { }
// Allow iterator to const_iterator conversion
template<typename _Iter>
__normal_iterator(const __normal_iterator<_Iter,
typename __enable_if<
(std::__are_same<_Iter, typename _Container::pointer>::__value),
_Container>::__type>& __i) _GLIBCXX_NOEXCEPT
: _M_current(__i.base()) { }
// Forward iterator requirements
reference
operator*() const _GLIBCXX_NOEXCEPT
{ return *_M_current; }
pointer
operator->() const _GLIBCXX_NOEXCEPT
{ return _M_current; }
// 前置++
__normal_iterator&
operator++() _GLIBCXX_NOEXCEPT
{
++_M_current;
return *this;
}
// 后置++
__normal_iterator
operator++(int) _GLIBCXX_NOEXCEPT
{ return __normal_iterator(_M_current++); }
// 前置--
// Bidirectional iterator requirements
__normal_iterator&
operator--() _GLIBCXX_NOEXCEPT
{
--_M_current;
return *this;
}
// 后置--
__normal_iterator
operator--(int) _GLIBCXX_NOEXCEPT
{ return __normal_iterator(_M_current--); }
// 随机访问迭代器都要重载[]操作符
// Random access iterator requirements
reference
operator[](difference_type __n) const _GLIBCXX_NOEXCEPT
{ return _M_current[__n]; }
// +=操作符 跳跃n个difference_type
__normal_iterator&
operator+=(difference_type __n) _GLIBCXX_NOEXCEPT
{ _M_current += __n; return *this; }
// +操作符 跳跃n个difference_type
__normal_iterator
operator+(difference_type __n) const _GLIBCXX_NOEXCEPT
{ return __normal_iterator(_M_current + __n); }
// -=操作符 后退n个difference_type
__normal_iterator&
operator-=(difference_type __n) _GLIBCXX_NOEXCEPT
{ _M_current -= __n; return *this; }
// -操作符 后退n个difference_type
__normal_iterator
operator-(difference_type __n) const _GLIBCXX_NOEXCEPT
{ return __normal_iterator(_M_current - __n); }
const _Iterator&
base() const _GLIBCXX_NOEXCEPT
{ return _M_current; }
};
_M_current — указатель на позицию итератора; это указатель произвольного доступа, и операции перемещения вроде operator+ и operator- могут сразу переходить в нужное место, тогда как указатель, не являющийся указателем произвольного доступа, может двигаться лишь шаг за шагом.
2.2 Обратный¶
vector также использует reverse_iterator, то есть обратный итератор; как следует из названия, направление его движения противоположно обычному итератору
template<typename _Iterator>
class reverse_iterator
: public iterator<typename iterator_traits<_Iterator>::iterator_category,
typename iterator_traits<_Iterator>::value_type,
typename iterator_traits<_Iterator>::difference_type,
typename iterator_traits<_Iterator>::pointer,
typename iterator_traits<_Iterator>::reference>
{
protected:
_Iterator current;
typedef iterator_traits<_Iterator> __traits_type;
public:
typedef _Iterator iterator_type;
typedef typename __traits_type::difference_type difference_type;
typedef typename __traits_type::pointer pointer;
typedef typename __traits_type::reference reference;
// 省略不重要的代码
// 该迭代器是从后面end()开始，需要往前一步，才可以获取到有效的迭代器位置
reference
operator*() const
{
_Iterator __tmp = current;
return *--__tmp;
}
// 通过调用上述*操作符直接实现
pointer
operator->() const
{ return &(operator*()); }
// 前置++操作符完成后退任务
reverse_iterator&
operator++()
{
--current;
return *this;
}
// 后置++
reverse_iterator
operator++(int)
{
reverse_iterator __tmp = *this;
--current;
return __tmp;
}
// 前置--操作符完成前进任务
reverse_iterator&
operator--()
{
++current;
return *this;
}
// 后置--
reverse_iterator
operator--(int)
{
reverse_iterator __tmp = *this;
++current;
return __tmp;
}
// +操作符
reverse_iterator
operator+(difference_type __n) const
{ return reverse_iterator(current - __n); }
// +=操作符
reverse_iterator&
operator+=(difference_type __n)
{
current -= __n;
return *this;
}
// -操作符
reverse_iterator
operator-(difference_type __n) const
{ return reverse_iterator(current + __n); }
// -=操作符
reverse_iterator&
operator-=(difference_type __n)
{
current += __n;
return *this;
}
// []操作符
reference
operator[](difference_type __n) const
{ return *(*this + __n); }
};
3. Структура данных vector¶
Память vector управляется тремя указателями _M_impl: M_start, _M_finish и _M_end_of_storage — все операции с адресами, ёмкостью и тому подобное опираются на эти три указателя:
iterator begin() _GLIBCXX_NOEXCEPT
{ return iterator(this->_M_impl._M_start); }
iterator end() _GLIBCXX_NOEXCEPT
{ return iterator(this->_M_impl._M_finish); }
reverse_iterator rbegin() noexcept
{ return reverse_iterator(end()); }
reverse_iterator rend() noexcept
{ return reverse_iterator(begin()); }
size_type size() const _GLIBCXX_NOEXCEPT
{ return size_type(this->_M_impl._M_finish - this->_M_impl._M_start); }
size_type capacity() const _GLIBCXX_NOEXCEPT
{ return size_type(this->_M_impl._M_end_of_storage - this->_M_impl._M_start); }
bool empty() const _GLIBCXX_NOEXCEPT
{ return begin() == end(); }
Пространство между _M_finish и _M_end_of_storage не содержит данных, и порой это расточительно; C++11 предоставляет очень полезную функцию shrink_to_fit(), освобождающую это неиспользуемое пространство; в основном она вызывает следующий код,
template<typename _Alloc>
bool vector<bool, _Alloc>::
_M_shrink_to_fit()
{
if (capacity() - size() < int(_S_word_bit)) // 64位系统为64bytes
return false;
__try
{
_M_reallocate(size());
return true;
}
__catch(...)
{
return false;
}
}
template<typename _Alloc>
void vector<bool, _Alloc>::
_M_reallocate(size_type __n)
{
_Bit_type* __q = this->_M_allocate(__n);
this->_M_impl._M_finish = _M_copy_aligned(begin(), end(),
iterator(__q, 0));
this->_M_deallocate();
this->_M_impl._M_start = iterator(__q, 0);
this->_M_impl._M_end_of_storage = __q + _S_nword(__n);
}
_M_copy_aligned реализован через два std::copy:
Первый swap копирует данные между указателями __first и __last в начало, на которое указывает указатель __result.
Второй swap получает итератор, соответствующий указателю __last.
iterator
_M_copy_aligned(const_iterator __first, const_iterator __last,
iterator __result)
{
// _Bit_type * _M_p; _Bit_type为unsigned long类型
_Bit_type* __q = std::copy(__first._M_p, __last._M_p, __result._M_p);
return std::copy(const_iterator(__last._M_p, 0), __last,
iterator(__q, 0));
}
begin() и end(), освобождается прежнее пространство vector; новый vector содержит только size() элементов, и изменяются направления _M_start и _M_end_of_storage.
4. Конструирование и разрушение vector¶
//使用默认内存分配器
vector() : _Base() { }
//指定内存分配器
explicit vector(const allocator_type& __a) : _Base(__a) { }
//初始化为n个__value值，如果没指定就使用该类型默认值
explicit vector(size_type __n, const value_type& __value = value_type(),
const allocator_type& __a = allocator_type()): _Base(__n, __a)
{ _M_fill_initialize(__n, __value); }
//拷贝构造函数
vector(const vector& __x)
: _Base(__x.size(),
_Alloc_traits::_S_select_on_copy(__x._M_get_Tp_allocator()))
{ this->_M_impl._M_finish =
std::__uninitialized_copy_a(__x.begin(), __x.end(),
this->_M_impl._M_start,
_M_get_Tp_allocator());
}
//c++11的移动构造函数，获取__x的M_start，_M_finish，_M_end_of_storage，并不需要数据拷贝
vector(vector&& ) noexcept
: _Base(std::move(__x)) { }
//从list中拷贝数据，也是c++11才有的
vector(initializer_list<value_type> __l,
const allocator_type& __a = allocator_type())
: _Base(__a)
{
_M_range_initialize(__l.begin(), __l.end(), random_access_iterator_tag());
}
//支持vector使用两个迭代器范围内的值初始化，除了stl的迭代器，也可以是数组地址
template<typename _InputIterator,
typename = std::_RequireInputIter<_InputIterator>>
vector(_InputIterator __first, _InputIterator __last,
const allocator_type& __a = allocator_type())
: _Base(__a)
{ _M_initialize_dispatch(__first, __last, __false_type()); }
//只析构所有元素，释放内存由vector_base完成
~vector() _GLIBCXX_NOEXCEPT
{ std::_Destroy(this->_M_impl._M_start, this->_M_impl._M_finish,_M_get_Tp_allocator()); }
5. vector¶
Вставка связана с выделением памяти и динамической перенастройкой — то самое различие между vector и array, упомянутое в самом начале, проявляется здесь:
typename vector<_Tp, _Alloc>::iterator
vector<_Tp, _Alloc>::insert(iterator __position, const value_type& __x)
{
const size_type __n = __position – begin();
//插入到最后一个位置，相当于push_back
if (this->_M_impl._M_finish != this->_M_impl._M_end_of_storage
&& __position == end())
{
_Alloc_traits::construct(this->_M_impl, this->_M_impl._M_finish, __x);
++this->_M_impl._M_finish;
}
else
{
_M_insert_aux(__position, __x);
}
return iterator(this->_M_impl._M_start + __n);
}
Реализация _M_insert_aux:
template<typename _Tp, typename _Alloc>
void vector<_Tp, _Alloc>::_M_insert_aux(iterator __position, const _Tp& __x)
{
//内存空间足够
if (this->_M_impl._M_finish != this->_M_impl._M_end_of_storage)
{
_Alloc_traits::construct(this->_M_impl, this->_M_impl._M_finish,
_GLIBCXX_MOVE(*(this->_M_impl._M_finish
- 1)));
++this->_M_impl._M_finish;
//__position后的元素依次向后移动一个位置
_GLIBCXX_MOVE_BACKWARD3(__position.base(),
this->_M_impl._M_finish - 2,
this->_M_impl._M_finish – 1);
//目标地址赋值
*__position = _Tp(std::forward<_Args>(__args)...);
}
else
{
//内存加倍
const size_type __len =
_M_check_len(size_type(1), "vector::_M_insert_aux");
const size_type __elems_before = __position - begin();
pointer __new_start(this->_M_allocate(__len));
pointer __new_finish(__new_start);
__try
{
//给position位置赋值
_Alloc_traits::construct(this->_M_impl,
__new_start + __elems_before,
std::forward<_Args>(__args)...);
__x);
__new_finish = 0;
//拷贝position位置前元素
__new_finish = std::__uninitialized_move_if_noexcept_a
(this->_M_impl._M_start, __position.base(),
__new_start, _M_get_Tp_allocator());
++__new_finish;
//拷贝position位置后元素
__new_finish
= std::__uninitialized_move_if_noexcept_a
(__position.base(), this->_M_impl._M_finish,
__new_finish, _M_get_Tp_allocator());
}
__catch(...)
{
if (!__new_finish)
_Alloc_traits::destroy(this->_M_impl,
__new_start + __elems_before);
else
std::_Destroy(__new_start, __new_finish, _M_get_Tp_allocator());
_M_deallocate(__new_start, __len);
__throw_exception_again;
}
//析构原vector所有元素
std::_Destroy(this->_M_impl._M_start, this->_M_impl._M_finish,
_M_get_Tp_allocator());
//释放原vector内存空间
_M_deallocate(this->_M_impl._M_start,
this->_M_impl._M_end_of_storage，this->_M_impl._M_start);
//vector内存地址指向新空间
this->_M_impl._M_start = __new_start;
this->_M_impl._M_finish = __new_finish;
this->_M_impl._M_end_of_storage = __new_start + __len;
}
}
_M_check_len:
size_type
_M_check_len(size_type __n, const char* __s) const
{
if (max_size() - size() < __n)
__throw_length_error(__N(__s));
const size_type __len = size() + std::max(size(), __n); //如果n小于当前size，内存加倍，否则内存增长n。
return (__len < size() || __len > max_size()) ? max_size() : __len;
}
Учебные материалы:
侯捷《STL源码剖析》
Похожие темы¶
- Анализ исходников STL array | C++那些事
- Глубокий анализ STL string | C++那些事
- Разбор вопросов собеседования про STL string | C++那些事
- Анализ исходников STL deque | C++那些事
- Оптимизация пустого базового класса EBO в STL | C++那些事
- Реализация хеш-таблицы своими руками | C++那些事
- Хеш-таблица STL hashtable | C++那些事
- Анализ исходников STL итераторов | C++那些事
- Анализ исходников STL list | C++那些事
- STL map и multimap | C++那些事