如何避免 std::vector<>初始化它的所有元素？

Question

编辑：我编辑了问题及其标题以使其更加准确。

考虑以下源代码：

#include <vector>
struct xyz {
    xyz() { } // empty constructor, but the compiler doesn't care
    xyz(const xyz& o): v(o.v) { } 
    xyz& operator=(const xyz& o) { v=o.v; return *this; }
    int v; // <will be initialized to int(), which means 0
};

std::vector<xyz> test() {
    return std::vector<xyz>(1024); // will do a memset() :-(
}

...如何避免由向量分配的内存<>使用其第一个元素的副本进行初始化，这是一个 O(n) 操作，为了速度，我宁愿跳过，因为我的默认构造函数不执行任何操作？

如果不存在通用解决方案（但我找不到任何属性来做到这一点），则可以使用 g++ 特定的解决方案。

编辑：生成的代码如下（命令行：arm-elf-g++-4.5 -O3 -S -fno-verbose-asm -o - test.cpp | arm-elf-c++filt | grep -vE '^[[:space:]]+[.@].*$' )

test():
    mov r3, #0
    stmfd   sp!, {r4, lr}
    mov r4, r0
    str r3, [r0, #0]
    str r3, [r0, #4]
    str r3, [r0, #8]
    mov r0, #4096
    bl  operator new(unsigned long)
    add r1, r0, #4096
    add r2, r0, #4080
    str r0, [r4, #0]
    stmib   r4, {r0, r1}
    add r2, r2, #12
    b       .L4          @
.L8:                     @
    add     r0, r0, #4   @
.L4:                     @
    cmp     r0, #0       @  fill the memory
    movne   r3, #0       @
    strne   r3, [r0, #0] @
    cmp     r0, r2       @
    bne     .L8          @
    str r1, [r4, #4]
    mov r0, r4
    ldmfd   sp!, {r4, pc}

编辑： 为了完整起见，这里是 x86_64 的程序集：

.globl test()
test():
LFB450:
    pushq   %rbp
LCFI0:
    movq    %rsp, %rbp
LCFI1:
    pushq   %rbx
LCFI2:
    movq    %rdi, %rbx
    subq    $8, %rsp
LCFI3:
    movq    $0, (%rdi)
    movq    $0, 8(%rdi)
    movq    $0, 16(%rdi)
    movl    $4096, %edi
    call    operator new(unsigned long)
    leaq    4096(%rax), %rcx
    movq    %rax, (%rbx)
    movq    %rax, 8(%rbx)
    leaq    4092(%rax), %rdx
    movq    %rcx, 16(%rbx)
    jmp     L4          @
L8:                     @
    addq    $4, %rax    @
L4:                     @
    testq   %rax, %rax  @ memory-filling loop
    je      L2          @
    movl    $0, (%rax)  @
L2:                     @
    cmpq    %rdx, %rax  @
    jne     L8          @
    movq    %rcx, 8(%rbx)
    movq    %rbx, %rax
    addq    $8, %rsp
    popq    %rbx
    leave
LCFI4:
    ret
LFE450:
EH_frame1:
LSCIE1:
LECIE1:
LSFDE1:
LASFDE1:
LEFDE1:

编辑：我认为结论是当您想避免不必要的初始化时不要使用std::vector。我最终展开了自己的模板化容器，它的性能更好（并且有针对 neon 和 armv7 的专用版本）。

Answer 1

分配的元素的初始化由 Allocator 模板参数控制，如果您需要自定义，请自定义它。但请记住，这很容易陷入肮脏的黑客攻击领域，因此请谨慎使用。例如，这是一个非常肮脏的解决方案。它将避免初始化，但它的性能很可能会更差，但为了演示（正如人们所说这是不可能的！...不可能不在 C++ 程序员的词汇中！）：

template <typename T>
class switch_init_allocator : public std::allocator< T > {
  private:
    bool* should_init;
  public:
    template <typename U>
    struct rebind {
      typedef switch_init_allocator<U> other;
    };

    //provide the required no-throw constructors / destructors:
    switch_init_allocator(bool* aShouldInit = NULL) throw() : std::allocator<T>(), should_init(aShouldInit) { };
    switch_init_allocator(const switch_init_allocator<T>& rhs) throw() : std::allocator<T>(rhs), should_init(rhs.should_init) { };
    template <typename U>
    switch_init_allocator(const switch_init_allocator<U>& rhs, bool* aShouldInit = NULL) throw() : std::allocator<T>(rhs), should_init(aShouldInit) { };
    ~switch_init_allocator() throw() { };

    //import the required typedefs:
    typedef typename std::allocator<T>::value_type value_type;
    typedef typename std::allocator<T>::pointer pointer;
    typedef typename std::allocator<T>::reference reference;
    typedef typename std::allocator<T>::const_pointer const_pointer;
    typedef typename std::allocator<T>::const_reference const_reference;
    typedef typename std::allocator<T>::size_type size_type;
    typedef typename std::allocator<T>::difference_type difference_type;

    //redefine the construct function (hiding the base-class version):
    void construct( pointer p, const_reference cr) {
      if((should_init) && (*should_init))
        new ((void*)p) T ( cr );
      //else, do nothing.
    };
};

template <typename T>
class my_vector : public std::vector<T, switch_init_allocator<T> > {
  public:
    typedef std::vector<T, switch_init_allocator<T> > base_type;
    typedef switch_init_allocator<T> allocator_type;
    typedef std::vector<T, allocator_type > vector_type;
    typedef typename base_type::size_type size_type;
  private:
    bool switch_flag; //the order here is very important!!
    vector_type vec;
  public:  
    my_vector(size_type aCount) : switch_flag(false), vec(aCount, allocator_type(&switch_flag)) { };
    //... and the rest of this wrapper class...
    vector_type& get_vector() { return vec; };
    const vector_type& get_vector() const { return vec; };
    void set_switch(bool value) { switch_flag = value; };
};

class xyz{};

int main(){
  my_vector<xyz> v(1024); //this won't initialize the memory at all.
  v.set_switch(true); //set back to true to turn initialization back on (needed for resizing and such)
}

当然，上面的情况很尴尬并且不推荐，并且肯定不会比实际让内存充满第一个元素的副本更好（特别是因为使用此标志检查将阻碍每个元素的构造）。但在寻求优化 STL 容器中元素的分配和初始化时，这是一个值得探索的途径，所以我想展示它。要点是，唯一可以注入阻止 std::vector 容器调用复制构造函数来初始化元素的代码的地方是向量分配器对象的构造函数。

另外，您可以取消“开关”并简单地执行“no-init-allocator”，但是随后，您还可以关闭在调整大小期间复制数据所需的复制构造（这将使该向量类变得更加重要）不太有用）。

Answer 2

这是向量的一个奇怪的角落。问题是不是您的元素正在被值初始化...而是第一个原型元素中的随机内容被复制到向量中的所有其他元素。 （这种行为在 C++11 中发生了变化，该值初始化每个元素）。

这样做有一个很好的理由：考虑一些引用计数的对象...如果您构造一个向量，要求将 1000 个元素初始化为这样一个对象，那么您显然需要一个带有引用的对象计数为 1000，而不是拥有 1000 个独立的“克隆”。我说“显然”是因为首先对对象引用进行计数意味着这是非常可取的。

无论如何，你几乎不走运了。实际上，vector 确保所有元素都相同，即使它同步的内容恰好是未初始化的垃圾。

---

在非标准 g++ 特定的快乐黑客领域，我们可以利用 vector 接口中的任何公共模板化成员函数作为后门，只需将模板专门化为某种新类型即可更改私有成员数据。

警告：不仅仅是为了这个“解决方案”，而是为了避免默认构造的整个努力......不要对具有重要不变量的类型这样做 - 你会破坏封装并且可以轻松地让 vector 本身或您尝试调用 operator=() 的某些操作、复制构造函数和/或析构函数（其中 *this/left-）和/或右侧参数不遵守这些不变量。例如，避免使用您期望为 NULL 的指针或指向有效对象、引用计数器、资源句柄等的值类型。

#include <iostream>
#include <vector>

struct Uninitialised_Resize
{
    explicit Uninitialised_Resize(int n) : n_(n) { }
    explicit Uninitialised_Resize() { }
    int n_;
};

namespace std
{
    template <>
    template <>
    void vector<int>::assign(Uninitialised_Resize ur, Uninitialised_Resize)
    {
        this->_M_impl._M_finish = this->_M_impl._M_start + ur.n_;

        // note: a simpler alternative (doesn't need "n_") is to set...
        //   this->_M_impl._M_finish = this->_M_impl._M_end_of_storage;
        // ...which means size() will become capacity(), which may be more
        // you reserved() (due to rounding; good) or have data for
        // (bad if you have to track in-use elements elsewhere,
        //  which makes the situation equivalent to just reserve()),
        // but if you can somehow use the extra elements then all's good.
    }
}

int main()
{
    {
        // try to get some non-0 values on heap ready for recycling...
        std::vector<int> x(10000);
        for (int i = 0; i < x.size(); ++i)
            x[i] = i;
    }

    std::vector<int> x;
    x.reserve(10000);
    for (int i = 1; i < x.capacity(); ++i)
        if (x[0] != x[i])
        {
            std::cout << "lucky\n";
            break;
        }
    x.assign(Uninitialised_Resize(1000), Uninitialised_Resize());

    for (int i = 1; i < x.size(); ++i)
        if (x[0] != x[i])
        {
            std::cout << "success [0] " << x[0] << " != [" << i << "] "
                << x[i] << '\n';
            break;
        }
}

我的输出：

lucky
success [0] 0 != [1] 1

这表明新的向量被重新分配到第一个向量的堆上。当向量超出范围时被释放，并显示值没有被分配破坏。当然，如果不仔细检查向量源，就无法知道其他一些重要的类不变量是否已失效，并且私有成员的确切名称/导入可能随时发生变化......

Answer 3

您将所有基元包装在一个结构中：

struct IntStruct
{
    IntStruct();

    int myInt;
}

将 IntStruct() 定义为空构造函数。因此，您将v声明为IntStruct v;，因此当xyzs的向量全部值初始化时，它们所做的一切是值初始化 v，它是一个无操作。

编辑：我误读了这个问题。如果您有基本类型的 vector，则应该执行此操作，因为 vector 被定义为在通过 resize() 创建元素时进行值初始化方法。结构体不需要在构造时对其成员进行值初始化，尽管这些“未初始化”的值仍然可以通过其他方式设置为 0 —— 嘿，它们可以是任何东西。

Answer 4

作为参考，以下代码可在 g++ 中实现最佳汇编：
我并不是说我会使用它，也不鼓励您这样做。这不是正确的C++！这是一个非常非常肮脏的黑客！我想它甚至可能取决于 g++ 版本，所以，真的，不要使用它。如果我看到它在某个地方被使用，我会呕吐。

#include <vector>

template<typename T>
static T create_uninitialized(size_t size, size_t capacity) {
    T v;
#if defined(__GNUC__)
    // Don't say it. I know -_-;
    // Oddly, _M_impl is public in _Vector_base !?
    typedef typename T::value_type     value_type;
    typedef typename T::allocator_type allocator_type;
    typedef std::_Vector_base<value_type, allocator_type> base_type;
    base_type& xb(reinterpret_cast<base_type&>(v));
    value_type* p(new value_type[capacity]);
#if !defined(__EXCEPTIONS)
    size=p?size:0;         // size=0 if p is null
    capacity=p?capacity:0; // capacity=0 if p is null
#endif
    capacity=std::max(size, capacity); // ensure size<=capacity
    xb._M_impl._M_start = p;
    xb._M_impl._M_finish = p+size;
    xb._M_impl._M_end_of_storage = p+capacity;
#else
    // Fallback, for the other compilers
    capacity=std::max(size, capacity);
    v.reserve(capacity);
    v.resize(size);
#endif
    return v;
}

struct xyz {
    // empty default constructor
    xyz() { }
    xyz(const xyz& o): v(o.v) { }
    xyz& operator=(const xyz& o) { v=o.v; return *this; }
    int v;
    typedef std::vector<xyz> vector;
};

// test functions for assembly dump
extern xyz::vector xyz_create() {
    // Create an uninitialized vector of 12 elements, with
    // a capacity to hold 256 elements.
    return create_uninitialized<xyz::vector>(12,256);
}

extern void xyz_fill(xyz::vector& x) {
    // Assign some values for testing
    for (int i(0); i<x.size(); ++i) x[i].v = i;
}

// test
#include <iostream>
int main() {
    xyz::vector x(xyz_create());
    xyz_fill(x);
    // Dump the vector
    for (int i(0); i<x.size(); ++i) std::cerr << x[i].v << "\n";
    return 0;
}

编辑：意识到_Vector_impl是公开的，这简化了事情。

编辑：这是为 xyz_create() 生成的 ARM 程序集，使用 -fno-exceptions 进行编译（使用 c++filt 进行分解），并且没有任何内存初始化循环：

xyz_create():
    mov r3, #0
    stmfd   sp!, {r4, lr}
    mov r4, r0
    str r3, [r0, #0]
    str r3, [r0, #4]
    str r3, [r0, #8]
    mov r0, #1024
    bl  operator new[](unsigned long)(PLT)
    cmp r0, #0
    moveq   r3, r0
    movne   r3, #1024
    moveq   r2, r0
    movne   r2, #48
    add r2, r0, r2
    add r3, r0, r3
    stmia   r4, {r0, r2, r3}    @ phole stm
    mov r0, r4
    ldmfd   sp!, {r4, pc}

..这里是 x86_64 的：

xyz_create():
    pushq   %rbp
    movq    %rsp, %rbp
    pushq   %rbx
    movq    %rdi, %rbx
    subq    $8, %rsp
    movq    $0, (%rdi)
    movq    $0, 8(%rdi)
    movq    $0, 16(%rdi)
    movl    $1024, %edi
    call    operator new[](unsigned long)
    cmpq    $1, %rax
    movq    %rax, (%rbx)
    sbbq    %rdx, %rdx
    notq    %rdx
    andl    $1024, %edx
    cmpq    $1, %rax
    sbbq    %rcx, %rcx
    leaq    (%rax,%rdx), %rdx
    notq    %rcx
    andl    $48, %ecx
    movq    %rdx, 16(%rbx)
    leaq    (%rax,%rcx), %rcx
    movq    %rbx, %rax
    movq    %rcx, 8(%rbx)
    addq    $8, %rsp
    popq    %rbx
    leave
    ret

Answer 5

您无法避免 std::vector 的元素初始化。

由于这个原因，我使用 std::vector 派生类。
resize() 在此示例中实现。您还必须实现构造函数。

虽然这不是标准 C++，而是编译器实现:-(

#include <vector>

template<typename _Tp, typename _Alloc = std::allocator<_Tp>>
class uvector : public std::vector<_Tp, _Alloc>
{
    typedef std::vector<_Tp, _Alloc> parent;
    using parent::_M_impl;

public:
    using parent::capacity;
    using parent::reserve;
    using parent::size;
    using typename parent::size_type;

    void resize(size_type sz)
    {
        if (sz <= size())
            parent::resize(sz);
        else
        {
            if (sz > capacity()) reserve(sz);
            _M_impl._M_finish = _M_impl._M_start + sz;
        }
    }
};

Answer 6

我也很好奇。您只想随机初始化内存吗？

向量元素存储在连续的内存位置中，因此可以进行随机初始化。

Answer 7

我没有看到内存初始化。默认的 int() 构造函数不执行任何操作，就像在 C 中一样。

程序：

#include <iostream>
#include <vector>

struct xyz {
    xyz() {}
    xyz(const xyz& o): v(o.v) {} 
    xyz& operator=(const xyz& o) { v=o.v; return *this; }
    int v;
};

std::vector<xyz> test() {
    return std::vector<xyz>(1024);
}

int main()
{
    std::vector<xyz> foo = test();
    for(int i = 0; i < 10; ++i)
    {
        std::cout << i << ": " << foo[i].v << std::endl;
    }
    return 0;
}

输出：

$ g++ -o foo foo.cc
$ ./foo 
0: 1606418432
1: 1606418432
2: 1606418432
3: 1606418432
4: 1606418432
5: 1606418432
6: 1606418432
7: 1606418432
8: 1606418432
9: 1606418432

编辑：

如果您只是尝试将向量初始化为一些不平凡的东西，并且不想浪费时间默认构造其内容，您可能想尝试创建一个自定义迭代器并将其传递给向量的构造函数。

修改后的示例：

#include <iostream>
#include <vector>
#include <iterator>

struct xyz {
    xyz() {}
    xyz(int init): v(init) {}
    xyz(const xyz& o): v(o.v) {} 
    xyz& operator=(const xyz& o) { v=o.v; return *this; }
    int v;
};

class XYZInitIterator: public std::iterator<std::input_iterator_tag, xyz>
{
public:
                        XYZInitIterator(int init): count(init) {}
                        XYZInitIterator(const XYZInitIterator& iter)
                        : count(iter.count) {}
    XYZInitIterator&    operator=(const XYZInitIterator& iter)
                        { count = iter.count; return *this; }
    value_type          operator*() const { return xyz(count); }
    bool                operator==(const XYZInitIterator& other) const 
                        { return count == other.count; }
    bool                operator!=(const XYZInitIterator& other) const 
                        { return count != other.count; }
    value_type          operator++() { return xyz(++count); }
    value_type          operator++(int) { return xyz(count++); }
private:
    int count;
};

std::vector<xyz> test() {
    XYZInitIterator start(0), end(1024);
    return std::vector<xyz>(start, end);
}

int main()
{
    std::vector<xyz> foo = test();
    for(int i = 0; i < 10; ++i)
    {
        std::cout << std::dec << i << ": " << std::hex << foo[i].v << std::endl;
    }
    return 0;
}

输出：

$ g++ -o foo foo.cc
$ ./foo 
0: 0
1: 1
2: 2
3: 3
4: 4
5: 5
6: 6
7: 7
8: 8
9: 9

Answer 8

如果您想要一个仅保留内存但没有初始化元素的向量，请使用 reserve 而不是构造函数：

std::vector<xyz> v;
v.reserve(1024);
assert(v.capacity() >= 1024);
assert(v.size() == 0);

Answer 9

按照目前声明 struct 的方式，没有机制可以默认初始化结构的 int 成员，因此您会得到默认的 C 行为，这是不确定的初始化。为了使用默认初始化值初始化 int 成员变量，您必须将其添加到结构构造函数的初始化列表中。例如，

struct xyz {
    xyz(): v() { } //initialization list sets the value of int v to 0
    int v;
};

当

struct xyz {
    xyz(): { } //no initialization list, therefore 'v' remains uninitialized
    int v;
};