Boolan C++ STL与泛型编程_2

主要内容：

本节主要讲解了面向对象和泛型编程的区别，以及source code所涉及到的基础知识（包括运算符重载、各种模板等），还有利用源码深入剖析了分配器、容器（list, vector, array, forward_list等）、迭代器。

源码之前，了无密码。

1.源码所在目录

• visual c++源代码文件：..\include 下面有这个c++标准库的头文件（自己的环境vs 2017，C:\Program Files (x86)\Microsoft Visual Studio\2017\Community\VC\Tools\MSVC\14.10.25017\include在这个目录下）
• gnc c++4.9.2 头文件的位置：..\4.9.2\include\c++
  stl开头的头文件：\include\c++\bits
  扩充的（分配器）头文件：\include\c++\ext

2. oop（面向对象）与gp（泛型编程）

• oop企图数据和操作放在一起。而gp是将数据和操作分开，容器存放数据，算法实现各种操作，它们之间通过迭代器联系起来。gp的好处在于容器和算法相互独立，他们之间只要具有可以相互使用的接口即可。eg. ::min() 对于两个类对象比较大小，调用这个算法，就要重载小于号或是自定义比较大小的函数。
• list不能调用::sort()，因为只有随机访问的迭代器才能调用::sort()，list不支持随机访问。所以list只能用自己的sort.
• 算法对于元素本身的操作，最终都是比较大小？。

3. 技术基础--运算符重载、模板

四个运算符不能重载： :: , . , .*， :?
类模板、函数模板、成员模板
类模板中又分为泛化、特化、偏特化（局部特化，个数和范围上）

template <typename T> struct __type_traits {...}  // 泛化
template<> struct __type_traits<int> {...}        // 特化

template <class Iterator> struct iterator_traits {...}         // 泛化
template <class T> struct struct iterator_traits<T *> {}       //偏特化，传入指针
template <class T> struct struct iterator_traits<const T *> {} //偏特化，传入常量指针

4. 分配器allocators

• malloc会在申请分配的内存大小的基础上附加额外的空间，如果申请分配的内存小，那么额外的空间所占的比例就大。
• 分配器是用来分配内存的，对于VC下的allocator类中有两个重要的函数allocate和deallocate. allocate函数内部会调用::operator new，operator new内部会调用malloc. deallocate内部会调用::operator delete，都没有任何特殊设计。

使用方法：
eg. int *p = allocator<int>().allocate(512, (int *)0);  //首先是创建一个临时allocator对象，之后调用allocate函数分配512字节，且全部初始化为0。
allocator<int>().deallocate(p, 512);  //释放空间，这里要求告知分配的空间大小。

• 对于BC5下的allocator类，头文件<memory.stl>. 且也是利用::operator new和::operator delete实现allocate和deallocate的，都没有任何特殊设计。

使用方法：
eg. int *p = allocator<int>().allocate(512);  //allocate函数第二个参数用默认值是0.
allocator<int>().deallocate(p, 512);

• 对于GCC2.9下也是利用::operator new和::operator delete实现allocate和deallocate的，都没有任何特殊设计。GCC2.9在容器中采用的不是allocator，而是alloc, 头文件<stl_alloc.h>. 在扩展空间时，尽量减少malloc次数，做法是创建16条链表，每条链表存放的字节是以8的倍数增长，第0条链表存放8字节，第1条链表存放16字节...。容器会和分配器要内存，容器中元素的大小会被调整为8的倍数，分配器会找到相应的链表上，再调用malloc分配内存，一个链上的每个内存块不带有上下cookie（8字节），只在链的头尾带有cookie，从而大幅节省额外空间开销。
• GCC4.9则没有在沿用GCC2.9这种好的方式，而是使用的是std::allocator, 继承于new_allocator, 且又是采用和vc和bc一样的分配和回收方法。GCC4.9中alloc还存在，只是名字改为了__pool_alloc. eg.vector<string, __gnu_cxx::__pool_alloc<string>>vec;

5. 容器之间实现关系

对于GCC2.9，属于早期的标准库版本，容器之间是复合的关系，而不是继承的关系。heap中拥有vector，priority-queue中拥有heap, stack和queue都拥有deque. 关联容器set、map、multiset、multimap都拥有rb_tree(高度平衡的二叉树).

6. 深度探索list

• 容器中要提供迭代器，和一系列操作符重载。迭代器内部要定义迭代器相关的5种typedef。
• ++运算符的重载：前++没有参数，后++是有一个函数参数的，为了与前++进行区分。后++首先会用tmp记录原有的指针，再对原有的指针自加，最后返回tmp。

self operator++(int)
{
     self tmp = *this; //会调用iterator的拷贝构造函数是对list中的node进行拷贝，并不是调用operator*。
     ++*this;
     return tmp;  //这里返回的是对象。而前++返回的是reference。
}

对于整数变量，前++可以加两次，后++则不行。迭代器的自加也是按照这个原则设计的。

• GCC4.9相对于GCC2.9在list容器上的改进：1. 其中的_list_iterator类模板的typename进行了精简，由3个typename改为1个typename. 2. _list_node在2.9中是由data和两个void_pointer类型指针组成，而在4.9中则是先构造_list_node_base这个结构存放两个指向自己这种类型的指针，之后_list_node继承于它，并存放data，这样指针指向的类型就确定了。3. 在32位cpu下，4.9中sizeof(list<int>) = 8，有两个指针，分别指向prev和next节点； 2.9中是4，只有一个指向node的指针。
• list最后一个有数据的节点的下一个节点是空的，end()指向的就是这个节点。这样是为了前闭后开遍历设计。

7. iterator需要遵循的原则

• 迭代器内部定义的5种迭代器相关的typedef是为了给算法调用的。
  eg. rotate()算法的内部调用iterator_traits<_Iter>::iterator_category (); 萃取出iterator_category（迭代器的分类，如前向迭代器，只能++，或是双向迭代器等），还萃取出difference_type（两个iterator之间的距离）和value_type（容器中元素类型）。和迭代器相关的还有两种typedef，分别是reference和pointer从没有在标准库中使用过。
• iterator_traits（迭代器的萃取机）有一个泛化的类模板，如果iterator是class，那么会使用这个泛化的类模板，还有两个偏特化类模板，一个模板参数特化为T ，另一个特化为const T。所以无论iterator是类还是指针，都可以萃取其中的5种类型，具体使用eg. iterator_traits<T>::value_type。value_type主要是用于声明变量的，所以即使是const T*类型，value_type也是T。
• 标准库中还有其他的萃取机。

8. 深入探索vector

• 各个编译器下，容量都会2倍增长。vector中有三个iterator(start指向第一个元素的位置，finish指向当前存放的最后一个元素的下一个位置，end_of_storage指向可以容纳最后一个元素的位置)，vector的函数begin(),end(),size(),capactity(),empty(),front(),back(),operator[]等都是利用这三个iterator计算的。
• push_back()首先会利用finish和end_of_storage指针判断是否还有空闲位置，如果有，则插入元素，finish自加；如果没有，那么会调用辅助函数insert_aux(end(), x),这是一个函数模板，其内部会再次判断是否还有剩余空间，因为其他函数也可以调用这个函数，如果没有剩余空间，那么会分配原有空间大小的二倍，（如果原有空间是0，那么新的空间大小会是1），之后将原有的元素拷贝到新的空间，再将新的元素放进去，finish自加，之后会在新元素后面（安插点后）将剩余的原有元素拷贝过来（这里也是因为这个函数会被其他函数调用）。
• 32位下sizeof(vector<T>) = 12（有3个指针）。

9. array和forward_list 单向链表

• TR1版（是1998-2011中间的过度版本，大概是2003左右）
  array内部是用数组实现的，大小不能扩充，所以定义时要声明大小，eg. array<int, 10> arr; 如果给定的array的大小是0，那么在array内部会变为1. 这里的iterator是指针。
• G4.9 array内部声明数组变得更加复杂了。
  typedef int T[100]; T c; 这样写是对的。

10.forward_list

• 与list类似，只是是单向的。