Рис. 6.1. Внутренности vector
Если вам любопытно, как поставщик вашей стандартной библиотеки реализовал vector, скомпилируйте пример 6.1 и пройдите в отладчике все вызовы методов vector или откройте заголовочный файл <vector> реализации стандартной библиотеки и изучите его. Код, который вы там увидите, по большей части не является дружественным к читателю, но он должен осветить некоторые моменты. Во-первых, если вы еще не видели кода библиотеки, он даст вам представление о методиках реализации, используемых для написания эффективного, переносимого обобщенного кода. Во-вторых, он даст точное представление о том, что представляют собой используемые вами контейнеры. При написании кода, который должен работать с различными реализациями стандартной библиотеки, это следует сделать в любом случае.
Однако независимо от поставщика библиотеки почти все реализации векторов похожи. В них есть переменная экземпляра, которая указывает на массив из T, и элементы, добавляемые или присваиваемые вами, с помощью конструктора копирования или операции присвоения помешаются в элементы этого массива.
Обычно добавление объекта T в следующий доступный слот буфера выполняется с помощью копирующего конструктора и new, которому передается тип создаваемого объекта, а также адрес, по которому он должен быть создан. Если вместо этого явно присвоить значение слоту, используя его индекс (с помощью operator[] или at), то будет использован оператор присвоения T. Заметьте, что в обоих случаях объект клонируется либо с помощью конструктора копирования, либо T::operator=. vector не просто хранит адрес добавляемого объекта. Именно по этой причине любой тип, сохраняемый в векторе, должен поддерживать копирующий конструктор и присвоение. Эти свойства означают, что эквивалентный объект типа T может быть создан с помощью вызова конструктора копирования T или оператора присвоения. Это очень важно из-за семантики копирования vector — если конструктор копирования или присвоение объектов не работает, то результаты, получаемые из vector, могут отличаться от того, что в него помещалось. А это плохо.
После добавления некоторого набора объектов в vector его буфер заполняется, и для добавления новых объектов его требуется увеличить. Алгоритм увеличения размера зависит от реализации, но обычно буфер размера n увеличивается до 2n+1. Важным здесь является то, как vector увеличивает свой буфер. Вы не можете просто сказать операционной системе неопределенно увеличить свой фрагмент памяти кучи. Требуется запросить новый фрагмент, который больше уже имеющегося. В результате процесс увеличения размера буфера выглядит следующим образом.
1. Выделить память для нового буфера.
2. Скопировать старые данные в новый буфер.
3. Удалить старый буфер.
Это позволяет vector хранить все его объекты в одном непрерывном фрагменте памяти.
Оптимизация производительности vector
Предыдущий раздел должен дать вам представление о том, как объекты хранятся в векторе. Из этого обзора вам должны стать понятны главные моменты, связанные с производительностью, но в том случае, если вы еще не поняли, я расскажу о них.
Для начала, vector (или любой другой контейнер из стандартной библиотеки) не хранит объекты. Он хранит копии объектов. Это значит, что каждый раз, когда в vector заносится новый объект, он туда не «кладется». С помощью конструктора копирования или оператора присвоения он копируется в другое место. Аналогично при получении значения из vector происходит копирование того, что находится в векторе по указанному индексу, в локальную переменную. Рассмотрим простое присвоение элемента vector локальной переменной.
vector<MyObj> myVec;
// Поместить несколько объектов MyObj в myVec
MyObj obj = myVec[10]; // Скопировать объект с индексом 10
Это присвоение вызывает оператор присвоения obj, в качестве правого операнда которого используется объект, возвращенный myVec[10]. Накладные расходы на производительность при работе с большим количеством объектов резко возрастают, так что их лучше всего избегать.
Для снижения накладных расходов на копирование вместо помещения в vector самих объектов поместите в него указатели. Сохранение указателей потребует меньшего количества циклов ЦП на добавление и получение данных, так как указатели проще скопировать, чем объекты, и, кроме того, это снизит объем памяти, необходимый для буфера vector. Но помните, что при добавлении в контейнер стандартной библиотеки указателей контейнер не удаляет их при своем уничтожении. Контейнеры удаляют только содержащиеся в них объекты, т.е. переменные, которые хранят адреса объектов, но контейнер ничего не знает, хранится ли в нем указатель или объект. Все, что он знает, — это то, что это объект типа T.
Изменение размера буфера тоже не дешево. Копирование каждого элемента буфера требует много работы, и этого лучше всего избегать. Чтобы защититься от этого, явно укажите размер буфера. Имеется пара способов сделать это. Простейшим способом сделать это является указание размера при создании вектора.
vector<string> vec(1000);
Здесь резервируется место для 1000 строк, и при этом производится инициализация каждого слота буфера с помощью конструктора string по умолчанию. При этом подходе приходится платить за создание каждой из этих строк, но добавляются определенные меры безопасности в виде инициализации каждого элемента буфера пустой строкой. Это означает, что при ссылке на элемент, значение которого еще не было присвоено, будет просто получена пустая строка.
Если требуется проинициализировать буфер каким-то определенным значением, можно передать объект, который требуется скопировать в каждый слот буфера.
string defString = "uninitialized";
vector<string> vec(100, defString);
string s = vec[50]; // s = "uninitialized"
В этом варианте vec с помощью конструктора копирования создаст 100 элементов, содержащих значение из defString.
Другим способом резервирования пространства буфера является вызов метода reserve, расположенный после создания vector.
vector<string> vec;
vec reserve(1000);
Главным различием между вызовом reserve и указанием размера в конструкторе является то, что reserve не инициализирует слоты буфера каким-либо значением. В частности, это означает, что не следует ссылаться на индексы, в которые еще ничего не записано.
vector<string> vec(100);
string s = vec[50]; // без проблем: s содержит пустую строку
vector<string> vec2;
vec2.reserve(100);
s = vec2[50]; // Не определено
Использование резервирования или указание числа объектов по умолчанию в конструкторе помогает избежать ненужных перераспределений буфера, Это приводит к увеличению производительности, но также позволяет избежать и еще одной проблемы: каждый раз, когда происходит перераспределение буфера, все итераторы, имевшиеся на этот момент и указывающие на элементы, становятся недействительными.
Наконец, плохой идеей является вставка элементов в любое место, кроме конца вектора. Посмотрите на рис. 6.1. Так как vector — это просто массив с дополнительными прибамбасами, становится очевидно, почему следует добавлять элементы только в конец вектора. Объекты в vector хранятся последовательно, так что при вставке элемента в любое место, кроме конца, скажем, по индексу n, объекты с n+1 до конца должны быть сдвинуты на один (в сторону конца) и освободить место для нового элемента. Сложность этой операции линейна, что означает, что она оказывается дорогостоящей даже для векторов скромного размера. Удаление элемента вектора имеет такой же эффект: оно означает, что все индексы больше n должны быть сдвинуты на один слот вверх. Если требуется возможность вставки и удаления в произвольном месте контейнера, вместо вектора следует использовать list.
6.3. Копирование вектора
Проблема
Требуется скопировать содержимое одного vector в другой.
Решение
Имеется пара способов сделать это. Можно при создании vector использовать конструктор копирования, а можно использовать метод assign. Пример 6.3 показывает оба этих способа.
Пример 6.3. Копирование содержимого vector
#include <iostream>
#include <vector>
#include <string>
#include <algorithm>
using namespace std;
// Вспомогательная функция для печати содержимого вектора
template<typename T>
void vecPrint (const vector<T>& vec) {
cout << "{";
