必须要注意的 C++ 动态内存资源管理(六)——vector的简单实现

十六.myVector分析

        我们知道，vector类将其元素存放在连续的内存中。为了获得可接受的性能，vetor预先分配足够大的内存来保存可能需要的更多元素。vector的每个添加元素的成员函数会检查是否有空间容纳更多的元素。如果有，成员函数会在下一个可用位置构造一个对象。如果没有可用空间，vector就会重新分配空间；它获得新的空间，将已有元素移动到新空间中，释放旧空间，并添加新元素。         既然是动态开辟的内存，于是我们在myVector中使用动态数组来存储，而每次插入元素的时候需要先判断开辟的内存是否已满，如果满了需要重新分配内存。         下面给出最初版本的代码：

templatetypename T
class myVector
public
     myVectorT _Myt
        nullptr nullptr nullptr    
     _Myt
    _Myt operator _Myt
    T operator i  elements  i 
      T                                      
       first_free  elements 
       cap  elements 
    T   elements 
    T   first_free 
private
    stdpairT T 
         T  T          
    T elements
    T first_free
    T cap
templatetypename T
myVectorT _Myt v
     newdata  v v
    elements  newdatafirst
    first_free  cap  newdatasecond
templatetypename T
myVectorT
templatetypename T
myVectorT myVectorToperator _Myt rhs
     data  rhs rhs
    elements  datafirst
    first_free  cap  datasecond
     this
templatetypename T
stdpairT T myVectorT
 T b  T e
     data  new Te  b
      i  b i  e i
        dataib  i
     data data  e  b 
templatetypename T
 myVectorT T s
    first_free  s
templatetypename T
 myVectorT
    delete elements
templatetypename T
 myVectorT
     newcapacity        
     newdata  new Tnewcapacity
     dest  newdata
     elem  elements
      i   i   i
        dest  elem
    elements  newdata
    first_free  dest
    cap  elements  newcapacity

        恩，以上代码实现了vector的部分功能，实现了vector内存的动态分配。不过，我们可以发现以上代码还是有几个可以优化的地方：

1.在分配内存的时候，new将内存分配和对象构造组合在了一起。但是在vector分配内存的时候，事实上有许多内存我们可能并用不上；而如果对于这些内存进行构造对象，可能就会带来不必要的开销。

2.在内存重新分配的时候，我们涉及到了旧数据的转移；不对，这里应该说是拷贝。虽然的确应该是转移，然而我们实现是通过拷贝。在c++11的时候提供了移动构造语义。它可以对于即将销毁(保证重新赋值前不再使用)的对象进行移动。这样对于某些支持移动语义的对象。移动比拷贝就可以带来更小的开销。

        恩，要进行以上的优化我们要先介绍：allocator类，移动语义。

十七.allocator类介绍

        new有一些灵活性的局限，一方面表现在它将内存分配和对象构造组合在一起。类似的，delete将对象析构和内存释放组合在一起。我们分配单个对象时，通常我们希望将内存和对象初始化放在一起。因为在这样的情况下，我们几乎已经知道了对象应当是什么值。         当分配一大块内存时，我们通常计划在这块内存上按需构造对象。在这种情况下，我们就应该希望将内存分配和对象构造分离。这意味着我们可以分配大块内存，然而只有我们真正需要的时候才执行对象创建操作(同时付出一定开销)。         标准库allocator类定义在头文件memory中，它帮助我们将内存分配和对象构造分离开来。

allocator<T> a

定义了一个名为a的allocator对象，它可以为类型为T的对象分配内存。

a.allocate(n)

分配一段原始的，未构造的内存，保存n个类型为T的对象。

a.deallocate(p,n)

释放从T指针p开始的内存，这块内存保存了n个类型为T的对象；p必须是一个先前由allocate返回的指针，且n必须是p创建时指定的大小。在调用deallocate之前，用户必须对每个在这块内存创建的内存调用destroy。

a.construct(p,args)

p必须是一个类型为T的指针，指向一块原始内存；args被传递给类型为T的构造函数，用来在p指向的内存上构造一个对象。

a.destroy(p)

p为T*类型指针，此算法对p指向的对象执行析构函数。

        下面是一段简单的代码，介绍了如何使用allocator进行内存分配，对象构造，对象释放，内存回收。

    allocatorstring  alloc          
    string p  alloc     
    allocp   
    cout  p  endl       
    allocp         
    allocp    

        不仅这样，标准库还提供了一些算法让我们使用的时候更加方便： |函数|介绍| |—|—-| |uninitialized_copy(b,e,b2)|从迭代器b和e指出的输入范围中拷贝元素到迭代器b2指定的未构造的原始内存中。b2指向的内存必须足够大，能容纳输入序列中元素的拷贝。 |uninitialized_copy_n(b,n,b2)|从迭代器b指向的元素开始，拷贝n个元素到b2开始的内存中。 |uninitialized_fill(b,e,t)|在迭代器b,e指定的原始内存范围中创建对象，对象的值均为t的拷贝。 |uninitialized_fill_n(b,n,t)|从迭代器b指向的内存地址开始创建n个对象。b必须指向足够大的未构造原始内存，能够容纳给定数量的对象。

        值得注意的是，所有通过allocate分配的内存都必须通过deallocate去回收，而所有构造的对象都必须通过destroy去释放。所以这些拷贝算法都必须要求原始内存，如果内存上有对象，请先使用destroy释放！！

十八.移动语义介绍

        很多情况下都会发生对象拷贝，然而在其中某些情况下，对象拷贝后就会立即被销毁。在这些情况下，移动而非拷贝对象会大幅度提升性能。还有的情况诸如IO类或者unique_ptr这些类都包含不能共享的资源，因此这些类的对象也不能拷贝只能移动。         为了支持移动操作，在新标准中引入了一种新的引用类型 —— 右值引用。右值引用有个重要的性质：只能绑定到一个即将要销毁的对象上。因此我们可以自由地将一个右值引用的资源”移动”到另一个对象中。下面给出一些例子来表示哪些是右值：

 i                   
 r  i                   
 rr  i                 
 r2  i               
   r3  i       
 rr2  i             

        考察左值和右值的区别：左值有持久的状态，而右值要么是字面常量，要么是在表达式求值过程中或者是函数返回的时候创建的临时变量。         因为变量是左值，所以我们不能将一个右值引用绑定到一个变量上，即使这个变量是一个右值引用类型也不行。所以为了解决这个问题，标准库提供了一个move函数，它可以用来获得绑定到左值上的右值引用。此函数定义在头文件utility中。         我们可以销毁一个移后源对象，也可以赋予新值，但不能在赋新值之前使用移后源对象的值。         根据以上所说，如果类也支持移动拷贝和移动赋值，那么也能在某些时候的初始化(赋值)的时候提高性能。如果要想让类支持移动语义，我们需要为其定义移动构造函数和移动赋值运算符。这两个函数的参数都是一个右值引用。就如同上面的代码，对于vector的移动我们只需要拷贝三个指针参数，而不是拷贝三个指针参数指向的值。

templatetypename T
myVectorT_Myt vvelementsvfirst_freevcap
    velements  vfirst_free  vcap  nullptr

        值得注意的是，我们要保证移后源对象必须是可析构状态，而且如果移动构造(赋值)函数不抛出异常的话必须要标记为noexcept(primer p474)。         对于移动赋值运算符我们要保证能正确处理自我赋值：

templatetypename T
myVectorT myVectorToperator_Myt rhs
     this  rhs
        elements  rhselements
        first_free  rhsfirst_free
        cap  rhscap
        rhselements  rhsfirst_free  rhscap  nullptr

        当然，和其他构造函数一样，如果我们没有定义移动构造函数的时候，编译器会给我们提供默认的移动构造函数。不过，前提是该类没有定义任何版本的拷贝控制函数以及每个非staitc成员变量都可以移动。编译器就会默认为它合成移动构造函数和移动赋值运算符。

十九.优化过后的Vector

        我们使用 allocate 和移动语义对以上的vector进行优化：

templatetypename T
class myVector
public
     myVectorT _Myt
        nullptr nullptr nullptr    
     _Myt
    _Myt
    _Myt operator _Myt
    _Myt operator_Myt
    T operator i  elements  i 
      T                                      
       first_free  elements 
       cap  elements 
    T   elements 
    T   first_free 
private
     stdallocatorT alloc
    stdpairT T 
         T  T          
    T elements
    T first_free
    T cap
templatetypename T
stdallocatorT myVectorTalloc
templatetypename T
myVectorT _Myt v
     newdata  v v
    elements  newdatafirst
    first_free  cap  newdatasecond
templatetypename T
myVectorT_Myt vvelementsvfirst_freevcap
    velements  vfirst_free  vcap  nullptr
templatetypename T
myVectorT
templatetypename T
myVectorT myVectorToperator _Myt rhs
     data  rhs rhs
    elements  datafirst
    first_free  cap  datasecond
     this
templatetypename T
myVectorT myVectorToperator_Myt rhs
     this  rhs
        elements  rhselements
        first_free  rhsfirst_free
        cap  rhscap
        rhselements  rhsfirst_free  rhscap  nullptr
templatetypename T
stdpairT T myVectorT
 T b  T e
     data  alloce  b
     data b e data 
templatetypename T
 myVectorT T s
    allocfirst_free s
templatetypename T
 myVectorT
     elements
          p  first_free p  elements
            allocp
        allocelements cap  elements
templatetypename T
 myVectorT
     newcapacity        
     newdata  allocnewcapacity
     dest  newdata
     elem  elements
      i   i   i
        allocdest stdelem
    elements  newdata
    first_free  dest
    cap  elements  newcapacity

        尽管，以上的代码vector只实现了vector很少的一部分功能，而且可能实现方式也有不足的地方。不过，在这里只是想体现动态内存的使用。所以，以上的代码还是可以作为c++动态内存管理的的示例的。

基本上c++动态内存管理的就介绍到这里了。