【STL容器vector零拷贝】基于模板和移动语义的std::vector零拷贝添加元素设计

zh路西法

已于 2024-12-21 12:35:02 修改

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文章标签： c++ 开发语言

于 2024-12-21 12:17:01 首次发布

本文链接：https://blog.youkuaiyun.com/m0_73800387/article/details/144629281

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前言

nav2系列教材，yolov11部署,系统迁移教程我会放到年后一起更新，最近年末手头事情多，还请大家多多谅解。

上一期我们提到了移动拷贝，我们这一期来看一个关于std::vector一个存储类对象时候拷贝元素的问题。
- 【C++移动语义与完美转发】左值右值，引用，引用折叠，移动语义，万能引用与完美转发
我们直接来看这样一段代码：无奖竞猜，猜猜下面代码的输出

#include <iostream>
#include <vector>
class MyClass
{
    public:
    MyClass()
    {
        std::cout<<"MyClass()"<<std::endl;
    }
    MyClass(const MyClass& other)
    {
        std::cout<<"MyClass(const MyClass& other)"<<std::endl;
    }
    MyClass(MyClass&& other) noexcept {
        std::cout << "MyClass(MyClass&& other)" << std::endl;
    }
};
int main()
{
    MyClass m1,m2,m3;
    std::vector<MyClass> vec={m1,m2,m3};
    return 0;
}

揭晓答案：
怎么样？是否出乎你的意料？MyClass在短短一行代码里头被拷贝了6次!!!我们看看这个是怎么回事。
上述情况也是为了应付你无法直接调用emplace直接进行类内构造
老规矩先上全部代码

template <typename T, typename... Args>
void vector_add_with_reserve(std::vector<T>& vec, Args&... elements) {
    vec.reserve(vec.size() + sizeof...(elements));  
    (vec.push_back(std::move(elements)), ...);    
}

1 尝试引入移动语义

不慌张，结合上节所学的移动语义，你可能想到这样解决：

MyClass m1,m2,m3;
std::vector<MyClass> vec = {std::move(m1), std::move(m2), std::move(m3)}; // 使用 std::move 转移对象

我们来看看运行结果
可以发现,拷贝的次数下降了,但是仍然存在。

2 vector创建元素分析

std::vector 源码位于 GCC 标准库实现中的 stl_vector.h，具体位置可以参考 libstdc+±v3/include/bits/stl_vector.h。

2-1 知识回顾

std::vector 的内存管理和扩容：
- std::vector 在插入元素时，可能会遇到内存重新分配的问题。一般来说，当 std::vector 的元素数量超过当前分配的容量时，它会扩展其存储空间。这通常会触发如下步骤：
  - 内存分配：当 std::vector 扩展时，会分配一块新的内存区域，通常是当前容量的两倍。
  - 元素拷贝或移动：在内存扩展后，原先的元素必须移动到新的内存区域。如果元素类型支持移动构造，通常会调用移动构造函数；如果不支持，则会调用拷贝构造函数。
std::vector::insert 和 std::vector::emplace：
- 这两个函数都是用于向 std::vector 中插入元素。在插入过程中，如果 std::vector 需要扩展容量，通常会发生以下操作：
  - std::vector::insert 或 std::vector::push_back 会向 vector 末尾添加元素。如果此时 vector 已满，它会重新分配内存。
  - 在重新分配内存时，元素会被依次复制或移动到新的内存区域中。
std::vector::resize 和 std::vector::reserve**：
- resize：该方法会改变容器的大小，必要时分配新内存。如果容器增加了元素，并且新分配的内存不足以容纳它们，它会重新分配并拷贝或移动元素。
- reserve：==该方法预先分配足够的内存，而不改变容器的大小。==如果容器已经有足够的内存，调用 reserve 不会触发重新分配。这是避免频繁重新分配和拷贝的好方法。

2-2 为何拷贝和移动交替发生

预分配容量不足：
如果在初始化 std::vector 时没有提前 reserve 足够的空间，std::vector 会根据需要重新分配内存。在重新分配时，std::vector 会将现有元素搬移到新的内存位置。如果 std::move 使用正确，它应该调用移动构造函数，但如果在某些实现中（例如容器大小调整时），编译器没有完全优化，也可能会进行拷贝构造。
std::vector 内存分配和优化：
GCC 的实现中，std::vector 在扩容时会分配一个新的内存块，并将元素从旧内存区域迁移到新区域。在这过程中：
- 如果 std::move 被正确应用且元素可以被移动，那么将调用移动构造函数。
- 如果由于某些原因容器的容量重新分配时发生了不必要的元素拷贝（例如编译器没有足够优化，或者元素类型不支持高效的移动），则会调用拷贝构造函数。
std::vector 的容器扩展过程：
在容器扩展时，std::vector 会将旧元素移动到新内存中。这通常会触发移动构造函数，但如果编译器没有优化好内存管理，可能会发生不必要的拷贝。比如，如果容器在分配新内存后没有直接采用新内存而是继续使用旧内存，可能会触发一些额外的拷贝操作。

3 修正方案：

3-1 直接修正

我们可以这样解决

std::vector<MyClass> vec;
vec.reserve(3);  // 提前为 3 个元素分配空间
vec.push_back(std::move(m1));
vec.push_back(std::move(m2));
vec.push_back(std::move(m3));

可以看到拷贝被避免了。

3-2 封装起来

我们也可以封装起来

template <typename T, typename... Args>
void vector_add_with_reserve(std::vector<T>& vec, Args&... elements) {
    vec.reserve(vec.size() + sizeof...(elements));  
    (vec.push_back(std::move(elements)), ...);    
}
// 使用
vector_add_with_reserve(vec, m1,m2,m3);

我们来看每一部分对应的细节：

模板参数 T 和 Args...

template <typename T, typename... Args>

T：这是 std::vector<T> 中的元素类型。可以理解为 vector 中元素的类型。
Args...：这是一个 参数包（parameter pack），表示一个不定数量的类型。你可以传递任意数量的参数给这个函数，每个参数的类型都可以不同。

函数签名

void vector_add_with_reserve(std::vector<T>& vec, Args&... elements)

std::vector<T>& vec：这是一个对 std::vector<T> 的引用，用于接收你要添加元素的容器。
Args&... elements：这是参数包，表示你传递给函数的多个参数。每个参数都是右值引用的引用类型 Args&。

扩容

vec.reserve(vec.size() + sizeof...(elements));

vec.size()：表示 vec 当前的大小（即当前 vector 中元素的数量）。
sizeof...(elements)：这是一个 参数包的大小（即 elements 包含的参数数量）。例如，如果你传递了 3 个元素，它的值将是 3。
reserve 用于预留 std::vector 中的空间。在调用 reserve 时，我们将 vec.size() 与 sizeof...(elements) 相加，确保在插入新元素时有足够的空间。这样做是为了避免在 push_back 时反复进行内存重分配。

加入元素

(vec.push_back(std::move(elements)), ...);

这是一个 折叠表达式（fold expression），是 C++17 引入的语法。
折叠表达式会展开并逐个处理 elements 参数包中的每个元素。
具体地说，这里 (vec.push_back(std::move(elements)), ...); 展开后，类似于以下代码：

vec.push_back(std::move(elements1)); 
vec.push_back(std::move(elements2)); 
vec.push_back(std::move(elements3)); // ...

运行
可以发现拷贝也被防止了。