STL源码剖析——算法#1 内存处理基本工具

我们在学习序列式容器时,我们经常会遇到这三个函数:uninitialized_copy、uninitialized_fill、uninitialized_fill_n。在那时我们只是仅仅知道这些函数的功能,至于它们是如何实现的,我们并没有深究。在这节,我们花点时间摘下这几个函数的面具,看看它们不为人知的那一面。

  • uninitialized_copy

STL源码剖析——算法#1 内存处理基本工具

  函数签名:

template <class InputIterator, class ForwardIterator>
inline ForwardIterator
uninitialized_copy(InputIterator first, InputIterator last,
    ForwardIterator result)

该函数一般用于在内存配置与对象构造分离的情况,例如vector,vector一般配置比所需元素个数更大的空间,那么在备用空间中放入新元素,就是uninitialized_copy该做的事。换句话说,如果作为输出目的地的 [ result, result+(last-first) ) 范围内的每一个迭代器都指向未初始化的区域,则uninitialized_copy() 会使用复制构造函数,把来自 [ first, last ) 范围的每一个对象产生一份复制品,放进输出范围中。针对输入范围的每一个迭代器 i,该函数会调用construct(&*(result+(i-first)), *i),而construct内部将会使用placement new,产生*i的复制品,放置于输出范围的相对位置上。

源码:

template <class InputIterator, class ForwardIterator>
inline ForwardIterator
uninitialized_copy(InputIterator first, InputIterator last,
    ForwardIterator result) {
    return __uninitialized_copy(first, last, result, value_type(result));
    // 以上,利用 value_type() 取出 first 的 value type.
}

在该函数内,获取了迭代器所指对象的类型,并把它传给下一级函数__uninitialized_copy,我们继续追根溯源,看看这个__uninitialized_copy又是什么来头:

template <class InputIterator, class ForwardIterator, class T>
inline ForwardIterator
__uninitialized_copy(InputIterator first, InputIterator last,
    ForwardIterator result, T*) {
    typedef typename __type_traits<T>::is_POD_type is_POD;        //利用type_traits机制,判断迭代器所指类型是否是POD类型
    return __uninitialized_copy_aux(first, last, result, is_POD());
    // 以上,企图利用 is_POD() 所获得的结果,让编译器做重载推导
}

__uninitialized_copy获取迭代器所指类型is_POD信息,但究竟是不是POD类型,函数内并没做判断,而是交给编译器做判断(参数推导重载)。而什么是PDO类型?POD意指Plain Old Data,也就是基本类型或传统的C 结构体。POD类型的对象必然拥有平凡的 构造 /默认构造 /拷贝构造 /赋值构造函数。

如果是POD类型,会采用最有效率的复制手法,可是这仍不会在这一层函数出现,而是在copy函数里。

template <class InputIterator, class ForwardIterator>
inline ForwardIterator
__uninitialized_copy_aux(InputIterator first, InputIterator last,
    ForwardIterator result,
    __true_type) {
    return copy(first, last, result); // 呼叫 STL 算法 copy()
}

STL基本算法之一——copy

复制操作不外乎运用赋值运算符或者拷贝构造函数(copy用的是前者),但如果某些对象的类型是平凡的(trivial)的赋值运算符,则可以直接使用内存直接复制行为(如C函数memmove或memcoy),便能够节省大量时间。为此,copy算法用尽各种办法,包括函数重载、类型特性(type_traits)、偏特化等编程技艺,来提升复制的效率。

STL源码剖析——算法#1 内存处理基本工具

   函数签名:

1 template <class InputIterator, class OutputIterator>
2 inline OutputIterator copy(InputIterator first, InputIterator last,
3     OutputIterator result)

该函数可将输入区间[ first, last ) 内的所有元素复制到输出区间 [ result, result+(last-first) ) 内,也就是说,它会执行赋值操作 *result = *first, *(result+1) = *(first+1),...以此类推。返回一个迭代器:result+(last-first)。copy函数对模板参数的要求非常宽松。输入区间可以是最低级的InputIterator,输出区间也是最低级的OuputIterator。这意味着,你可以使用该算法,将任何容器的任何一段区间的内容,复制到任何容器的任何一段区间上。能看到它的复制是向前推进的(之后还会学另外一种函数,是反向推进的)。

源码:上面那幅图是整个copy算法的脉络,配合它看源码能更容易理解

//完全泛化版本
template <class InputIterator, class OutputIterator>
inline OutputIterator copy(InputIterator first, InputIterator last,
    OutputIterator result)
{
    return __copy_dispatch<InputIterator, OutputIterator>()(first, last, result);
}

除了这个完全泛化版本,还提供两个特化版本,针对原生指针const char* 和 const wchar_t*,可以使用内存直接拷贝的操作:

inline char* copy(const char* first, const char* last, char* result) {
    memmove(result, first, last - first);
    return result + (last - first);
}

inline wchar_t* copy(const wchar_t* first, const wchar_t* last,
    wchar_t* result) {
    memmove(result, first, sizeof(wchar_t) * (last - first));
    return result + (last - first);
}

为什么说memmove函数效率很高呢?因为该函数是直接按字节拷贝,简单地讲就是纯复制,不用考虑其他诸如构造、浅复制、深复制等因素,所以效率很高。所以如果允许的情况下,最好就就用这个函数和memcpy函数。至于memmove和memcpy有什么区别,搜一搜就有了。

copy函数的完全泛化版本调用了一个__copy_dispatch函数,这个函数有一个完全泛化版本和两个偏特化版本:

template <class InputIterator, class OutputIterator>
struct __copy_dispatch
{
    //__copy_dispatch是一个结构体,但定义了operator()函数,即当使用__copy_dispatch(),调用的是__copy_dispatch()的函数对象
    OutputIterator operator()(InputIterator first, InputIterator last,
        OutputIterator result) {
        return __copy(first, last, result, iterator_category(first));        //获取迭代器的类型,并根据编译器的参数推导机制选择合适的重载版本
    }
};

而这两个偏特化版本针对的是模板参数为指针类型的,即传进来的是int*而非int这种情况:

template <class T>
struct __copy_dispatch<T*, T*>
{
    T* operator()(T* first, T* last, T* result) {
        typedef typename __type_traits<T>::has_trivial_assignment_operator t;        //获取类型是否具有平凡的赋值运算符
        return __copy_t(first, last, result, t());
    }
};

template <class T>
struct __copy_dispatch<const T*, T*>
{
    T* operator()(const T* first, const T* last, T* result) {
        typedef typename __type_traits<T>::has_trivial_assignment_operator t;
        return __copy_t(first, last, result, t());
    }
};

这里兵分两路。首先__copy_dispatch的完全泛化版本会根据迭代器类型选择调用合适的__copy函数,为的是不同种类的迭代器所使用的循环条件不同,而效率也会不同。如果是最低级别的InputIterator,说明迭代器只具有逐次递增的功能,不具备随机访问的功能,所以在判断是否到达输入区间尾部这个问题上,需要每次递增后都要进行一次判断,效率较低:

template <class InputIterator, class OutputIterator>
inline OutputIterator __copy(InputIterator first, InputIterator last,
    OutputIterator result, input_iterator_tag)
{
    for (; first != last; ++result, ++first)    //每轮循环开始前都要进行一次fisrt是否等于last的判断,效率慢
        *result = *first;
    return result;
}

如果是级别最高的Random Access Iterator,则具有了随机存取的能力,就可以利用它提供的operator-()计算出输出区间的大小n,然后以n决定循环的次数,这比两个迭代器作比较在效率上快多了。

template <class RandomAccessIterator, class OutputIterator>
inline OutputIterator
__copy(RandomAccessIterator first, RandomAccessIterator last,
    OutputIterator result, random_access_iterator_tag)
{
    return __copy_d(first, last, result, distance_type(first));
}

template <class RandomAccessIterator, class OutputIterator, class Distance>
inline OutputIterator
__copy_d(RandomAccessIterator first, RandomAccessIterator last,
    OutputIterator result, Distance*)
{
    for (Distance n = last - first; n > 0; --n, ++result, ++first) //Distance其实就是distance_type
        *result = *first;
    return result;
}

   这是__copy_dispatch的完全泛化版本。现在回到兵分两路之前,__copy_dispatch具有两个偏特化版本,针对的是参数为原生指针类型和const原生指针类型,从这两个函数的主体中能看出,它想在“参数为原生指针类型”的前提下,探测其指针所指的类型是否具有平凡的赋值操作符。如果具有平凡的赋值运算符(即并无重载其赋值操作符),那么复制操作就可以不通过赋值操作符来进行,可以直接以组快速的内存对拷方式(memmove())完成。源码使用了我们之前学过的__type_traits<>编程技巧来侦测某个类型是否具有平凡的赋值操作符。

template <class T>
inline T* __copy_t(const T* first, const T* last, T* result, __true_type) {
    //__true_type,拥有平凡赋值操作符(trivial assignment operator),使用内存对拷方式,效率最高
    memmove(result, first, sizeof(T) * (last - first));
    return result + (last - first);
}

template <class T>
inline T* __copy_t(const T* first, const T* last, T* result, __false_type) {
    //__false_type,拥有自定义的赋值操作符(non-trivial assignment operator),使用随机迭代器版本的复制操作
    return __copy_d(first, last, result, (ptrdiff_t*)0);
}

至此,我们终于走到了uninitialized_copy的尽头,可谓是廓然开朗。

  • uninitialized_fill

STL源码剖析——算法#1 内存处理基本工具

函数签名:

1 template <class ForwardIterator, class T>
2 inline void uninitialized_fill(ForwardIterator first, ForwardIterator last,
3     const T& x)

如果[ first, last ) 范围内每个迭代器都指向未初始化的内存,那么该函数会在该范围内产生x的复制品。换句话说,该函数会针对操作范围内的每个迭代器 i ,调用construct(&*i, x),在 i 所指之处产生x的复制品。

源码:

template <class ForwardIterator, class T>
inline void uninitialized_fill(ForwardIterator first, ForwardIterator last,
    const T& x) {
    __uninitialized_fill(first, last, x, value_type(first));
}

与uninitilized_copy一样,先获取迭代器所指的类型,然后再下一级函数中,判断其是否是POD类型:

template <class ForwardIterator, class T, class T1>
inline void __uninitialized_fill(ForwardIterator first, ForwardIterator last,
    const T& x, T1*) {
    typedef typename __type_traits<T1>::is_POD_type is_POD;
    __uninitialized_fill_aux(first, last, x, is_POD());
}

再根据是否是POD类型,调用不同版本的__uninitialized_fill_aux。

如果是POD类型,则具有平凡的赋值操作符,就会进入到fill函数:

template <class ForwardIterator, class T>
inline void
__uninitialized_fill_aux(ForwardIterator first, ForwardIterator last,
    const T& x, __true_type)
{
    fill(first, last, x); // 呼叫 STL 算法 fill()
}

STL基本算法之二——fill()

fill函数就比copy简单多了,我们只会在类型为POD时才会调用该函数,所以该函数直接使用平凡的赋值操作符进行初值填写:

template <class ForwardIterator, class T>
void fill(ForwardIterator first, ForwardIterator last, const T& value) {
    for (; first != last; ++first)    // 遍历整个输入区间
        *first = value;
}

如果不是POD类型,说明具有自己的赋值操作符,那么就不会使用赋值操作,而是直接在迭代器所指空间直接构造一个value:

template <class ForwardIterator, class T>
void
__uninitialized_fill_aux(ForwardIterator first, ForwardIterator last,
    const T& x, __false_type)
{
    ForwardIterator cur = first;
    __STL_TRY{
        for (; cur != last; ++cur)
        construct(&*cur, x); // 必须一个一个构造,无法批量进行
    }
    __STL_UNWIND(destroy(first, cur));
}
  • uninitialized_fill_n

STL源码剖析——算法#1 内存处理基本工具

函数签名:

1 template <class ForwardIterator, class Size, class T, class T1>
2 inline ForwardIterator __uninitialized_fill_n(ForwardIterator first, Size n,
3     const T& x, T1*)

如果[ first, first+n ),范围内的每一个迭代器都指向未初始化的空间,那么该函数会调用拷贝构造函数,在该范围内产生x的复制品。也就是说,对于[ first, first+n ),范围内的每个迭代器 i ,该函数会调用construct(&*i, x),在对应位置产生x的复制品。

源码:

template <class ForwardIterator, class Size, class T, class T1>
inline ForwardIterator __uninitialized_fill_n(ForwardIterator first, Size n,
    const T& x, T1*) {
    typedef typename __type_traits<T1>::is_POD_type is_POD;
    return __uninitialized_fill_n_aux(first, n, x, is_POD());
}

有一说一,其实与上述两个函数类似,POD类型决定其使用什么样的复制手段,不是POD类型就直接构造,是就直接赋值。

template <class ForwardIterator, class Size, class T, class T1>
inline ForwardIterator __uninitialized_fill_n(ForwardIterator first, Size n,
    const T& x, T1*) {
    typedef typename __type_traits<T1>::is_POD_type is_POD;
    return __uninitialized_fill_n_aux(first, n, x, is_POD());
}

不同的是,如果是POD类型,调用的是STL算法里面的fill_n函数:

template <class ForwardIterator, class Size, class T>
inline ForwardIterator
__uninitialized_fill_n_aux(ForwardIterator first, Size n,
 const T& x, __true_type) {
 return fill_n(first, n, x);
}

STL基本算法之三——fill_n()

将[ first, last ) 内的前n个元素改填新值,返回的迭代器指向被填入的最后一个元素的下一位置:

template <class OutputIterator, class Size, class T>
OutputIterator fill_n(OutputIterator first, Size n, const T& value) {
    for (; n > 0; --n, ++first)        // 经过n个元素
        *first = value;    // 注意,assignment 是复写(overwrite)而不是安插(insert)
    return first;
}

而对于非POD类型则采取最保险的做法:

template <class ForwardIterator, class Size, class T>
ForwardIterator
__uninitialized_fill_n_aux(ForwardIterator first, Size n,
    const T& x, __false_type) {
    ForwardIterator cur = first;
    __STL_TRY{
        for (; n > 0; --n, ++cur)
        construct(&*cur, x);
        return cur;
    }
    __STL_UNWIND(destroy(first, cur));
}

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