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std::vector::push_back和std::vector::emplace_back

引言

C++ 11 后,标准库容器 std::vector 包含了成员函数 emplaceemplace_backemplace 在容器指定位置插入元素,emplace_back 在容器末尾添加元素。

emplaceemplace_back 原理类似,本文仅讨论 push_backemplace_back

定义

首先看下 Microsoft Docs 对 push_backemplace_back 的定义:

  • push_back:Adds an element to the end of the vector.
  • emplace_back:Adds an element constructed in place to the end of the vector.

两者的定义我用了加粗字体作区分,那么现在问题就在于什么叫做 constructed in place

再来看下官方文档(www.cplusplus.com)怎么介绍 emplace_back 的:

template <class… Args>
void emplace_back (Args&&… args);

Inserts a new element at the end of the vector, right after its current last element. This new element is constructed in place using args as the arguments for its constructor.
This effectively increases the container size by one, which causes an automatic reallocation of the allocated storage space if -and only if- the new vector size surpasses the current vector capacity.
The element is constructed in-place by calling allocator_traits::construct with args forwarded.
A similar member function exists, push_back, which either copies or moves an existing object into the container.

简而言之,push_back 会构造一个临时对象,这个临时对象会被拷贝或者移入到容器中,然而 emplace_back 会直接根据传入的参数在容器的适当位置进行构造而避免拷贝或者移动。

为什么我们有了 emplace_back 还需要 push_back

这部分内容进一步对如何区分 push_backemplace_back 做了解答。
Stack Overflow 有一项回答我认为已经解释的较为清楚,因此这里部分转译过来。

翻译带有个人理解,非直译,原文参考:https://stackoverflow.com/questions/10890653/why-would-i-ever-use-push-back-instead-of-emplace-back

以下为译文:

关于这个问题我在过去 4 年思考良多,我敢说大多数关于 push_backemplace_back 的解释都不够完善。

去年,我在一次关于 C++ 的介绍中(链接参考原文)讨论了 push_backemplace_back 的相关议题,这两者最主要的区别来自于:是使用隐式构造函数还是显示构造函数(implicit vs. explicit constructors)。

先看下面的示例:

std::vector<T> v;
v.push_back(x);
v.emplace_back(x);

传统观点认为 push_back 会构造一个临时对象,这个临时对象会被移入到 v 中,然而 emplace_back 会直接根据传入的参数在适当位置进行构造而避免拷贝或者移动。从标准库代码的实现角度来说这是对的,但是对于提供了优化的编译器来讲,上面示例中最后两行表达式生成的代码其实没有区别。

真正的区别在于,emplace_back 更加强大,它可以调用任何类型的(只要存在)构造函数。而 push_back 会更加严谨,它只调用隐式构造函数。隐式构造函数被认为是安全的。如果能够通过对象 T 隐式构造对象 U,就认为 U 能够完整包含 T 的所有内容,这样将 T 传递给 U 通常是安全的。正确使用隐式构造的例子是用 std::uint32_t 对象构造 std::uint64_t 对象,错误使用隐式构造的例子是用 double 构造 std::uint8_t

我们必须在编码时小心翼翼。我们不想使用强大/高级的功能,因为它越是强大,就越有可能发生意想不到的错误。如果想要调用显示构造函数,那么就调用 emplace_back。如果只希望调用隐式构造函数,那么请使用更加安全的 push_back

再看个示例:

std::vector<std::unique_ptr<T>> v;
T a;
v.emplace_back(std::addressof(a)); // compiles
v.push_back(std::addressof(a)); // fails to compile

std::unique_ptr<T> 包含了显示构造函数通过 T* 进行构造。因为 emplace_back 能够调用显示构造函数,所以传递一个裸指针并不会产生编译错误。然而,当 v 超出了作用域,std::unique_ptr<T> 的析构函数会尝试 delete 类型 T* 的指针,而类型 T* 的指针并不是通过 new 来分配的,因为它保存的是栈对象的地址,因此 delete 行为是未定义的。

这不是为了示例而特意写的代码,而是一个我遇到的实际问题。原本 vstd::vector<T *> 类型,迁移到 C++ 11 后,我修改为 std::vector<std::unique_ptr<T>>。并且,那时我错误地认为 emplace_back 能够做 push_back 所能做的所有事情,因此将 push_back 也改为了 emplace_back

如果我保留使用更加安全的 push_back,那么我会立马发现这个 bug。不幸的是,我意外地隐藏了这个 bug 并直到几个月后才重新发现它。

引用

  • https://docs.microsoft.com/en-us/cpp/standard-library/vector-class?view=msvc-160
  • https://www.cplusplus.com/reference/vector/vector/emplace_back/
  • https://stackoverflow.com/questions/10890653/why-would-i-ever-use-push-back-instead-of-emplace-back

本文地址:H5W3 » std::vector::push_back和std::vector::emplace_back

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