C++ STL标准库std::vector扩容时进行深复制原因详解

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

引子

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  #include  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 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 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::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 struct __move_if_noexcept_cond : public __and_<__not_>, 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 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 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。

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