std::vector扩容时为何进行深复制？

最新推荐文章于 2025-02-06 21:17:59 发布

borehole打洞哥

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分类专栏： C++代码编程技巧和心得文章标签： c++

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本文探讨了C++中std::vector扩容时为何未使用移动构造函数的问题。通过分析源码，发现扩容过程中因异常安全性的考虑，只有当移动构造函数声明为noexcept时才会调用。解决方案是将移动构造函数声明为noexcept，以利用移动语义提高效率。

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引子

我们知道，std::vector之所以可以动态扩容，同时还可以保持顺序存储，主要取决于其扩容复制的机制。当容量满时，会重新划分一片更大的内存区域，然后将所有的元素拷贝过去。
但是笔者却发现了一个奇怪的现象，std::vector扩容时，对其中的元素竟然进行的是深复制。请看示例代码：

#include <iostream>
#include <vector>

struct Test {
    Test() {std::cout << "Test" << std::endl;}
    ~Test() {std::cout << "~Test" << std::endl;}
    Test(const Test &) {std::cout << "Test copy" << std::endl;}
    Test(Test &&) {std::cout << "Test move" << std::endl;}
};

int main(int argc, const char *argv[]) {
    std::vector<Test> ve;
    ve.emplace_back();
    ve.emplace_back();
    ve.emplace_back();
    return 0;
}

打印结果如下：

Test
Test
Test copy
~Test
Test
Test copy
Test copy
~Test
~Test
~Test
~Test
~Test

由于我们没有调用reverse函数，所以默认只分配了一个元素的大小。第一次emplace_back时，仅进行了一次普通构造。第二次emplace_back时，就需要进行扩容，然后把第一个元素拷贝过去，再释放原来的对象。所以这里除了有一次新的构造以外，还有一次复制和释放。后面的行为类似，不再赘述，
但关键问题就在于，Test类明明实现了移动构造（浅复制），可这里竟然调用了拷贝构造（深复制）。
如果vector扩容无脑调用拷贝构造，那么这个对象如果含有很多外链的成员（比如说指向buffer的指针、指向其他对象的指针等），调用拷贝构造就意味着要把这些链接的对象全部都重新构造一遍。这对于vector自身扩容来说，显然是没有必要的，会极度浪费内存空间。

查找原因

基于上述理由，我认为STL的开发者不可能连这个问题都考虑不到，但想不通为什么我明明实现了移动构造，却不能调用。
带着这样的疑问我去研读了STL的源码（GNU版本），在vector扩容时，会调用_M_realloc_insert函数，该函数在vector.tcc文件中实现。在这个函数里面对已有元素进行拷贝的时候，看到了类似这样的代码：

__new_finish
		= std::__uninitialized_move_if_noexcept_a
		(__old_start, __position.base(),
		 __new_start, _M_get_Tp_allocator());

	      ++__new_finish;

有趣的就是这个__uninitialized_move_if_noexcept_a，我们找到这个函数的实现：

template<typename _InputIterator, typename _ForwardIterator,
	   typename _Allocator>
    inline _ForwardIterator
    __uninitialized_move_if_noexcept_a(_InputIterator __first,
				       _InputIterator __last,
				       _ForwardIterator __result,
				       _Allocator& __alloc)
    {
      return std::__uninitialized_copy_a
	(_GLIBCXX_MAKE_MOVE_IF_NOEXCEPT_ITERATOR(__first),
	 _GLIBCXX_MAKE_MOVE_IF_NOEXCEPT_ITERATOR(__last), __result, __alloc);
    }

再看一下_GLIBCXX_MAKE_MOVE_IF_NOEXCEPT_ITERATOR的实现

#if __cplusplus >= 201103L
#define _GLIBCXX_MAKE_MOVE_IF_NOEXCEPT_ITERATOR(_Iter) std::__make_move_if_noexcept_iterator(_Iter)
#else
#define _GLIBCXX_MAKE_MOVE_IF_NOEXCEPT_ITERATOR(_Iter) (_Iter)
#endif // C++11

也就是说，在C++11以前，这玩意就是对象本身（毕竟C++11以前还没有移动构造），而在C++11以后被定义成了__make_move_if_noexcept_iterator，继续查看其定义。

template<typename _Iterator, typename _ReturnType
    = typename conditional<__move_if_noexcept_cond
      <typename iterator_traits<_Iterator>::value_type>::value,
                _Iterator, move_iterator<_Iterator>>::type>
    inline _GLIBCXX17_CONSTEXPR _ReturnType
    __make_move_if_noexcept_iterator(_Iterator __i)
    { return _ReturnType(__i); }

这里用了一个conditional，来判断这个迭代器的类型，如果__move_if_noexcept_cond为真，就取迭代器本身，否则就取移动迭代器。看起来问题就在这里了，之前我们的例程中的Test一定就是符合了这个__move_if_noexcept_cond，导致用了原始迭代器。
继续深挖这个__move_if_noexcept_cond，看到这样的代码：

template<typename _Tp>
    struct __move_if_noexcept_cond
    : public __and_<__not_<is_nothrow_move_constructible<_Tp>>,
                    is_copy_constructible<_Tp>>::type { };

也就是说，如果一个类，不存在不会抛出异常的移动构造函数并且可拷贝，那么就为真。
Test类显然符合，所以vector<Test>在复制时用了普通的迭代器进行了遍历，自然就会调用拷贝构造函数进行复制了。

解决方法

所以，我们需要让Test不符合__move_if_noexcept_cond的条件，也就是这里要将移动构造函数声明为noexcept表示它不会抛出异常，这样vector<Test>在复制时就会使用移动迭代器（就是会包装一层std::move），从而触发移动构造。
顺道我们也看一眼移动迭代器的原理:

template<typename _Iterator>
class move_iterator {
    _Iterator _M_current;
    // ...
  public:
    using iterator_type = _Iterator;
	explicit _GLIBCXX17_CONSTEXPR
      	move_iterator(iterator_type __i)
      	: _M_current(std::move(__i)) { }
    // ...
}

确实调用了std::move，证明我们的思路没错。
所以，修改Test代码，实现noexcept移动构造：

struct Test {
    long a, b, c, d;
    Test() {std::cout << "Test" << std::endl;}
    ~Test() {std::cout << "~Test" << std::endl;}
    Test(const Test &) {std::cout << "Test copy" << std::endl;}
    Test(Test &&) noexcept {std::cout << "Test move" << std::endl;}
};

int main(int argc, const char *argv[]) {
    std::vector<Test> ve;
    ve.emplace_back();
    ve.emplace_back();
    ve.emplace_back();
    return 0;
}

打印结果如下：

Test
Test
Test move
~Test
Test
Test move
Test move
~Test
~Test
~Test
~Test
~Test

这次如我们所愿，调用了移动构造。

结论

STL中考虑到异常的情况，因此，像这种容器内部的复制行为，是要求不能够发生异常的，因此，只有当移动构造函数声明为noexcept的时候才会调用，否则将统一调用拷贝构造函数。
然而，在移动构造函数中本来就不应该抛出异常，因此，在大多数情况下，移动构造函数都应该用noexcept来声明。