从源代码看push_back与emplace_back

为更好地理解这两者的区别，我决定通过源代码进行深入研究。本文将分析这两个函数的实现机制，探讨它们在性能和使用上的差异，并总结在使用时的最佳实践。

引入

最近在复习C++，正好看到 push_back 与 emplace_back，网上的教程各有说辞，令人困惑。为了更好地理解这两者的区别，我决定自己动手看看源代码，研究研究。

首先，让我们看一个常见的观点：

vector 的函数 emplace_back()
它和 push_back() 函数一样，都是用来在容器尾部插入一个元素。
区别在于，使用 push_back() 需要调用拷贝构造函数，而 emplace_back() 则是原地构造元素，不会触发拷贝构造，因此效率更高。

我们暂且不讨论这个观点的准确性，直接来看看以下的代码示例：

std::vector<A> v;
v.reserve(10);

A tem = A(1);  
// A Construction2
A tem3 = A(1); 
// A Construction2

v.emplace_back(1); 
// A Construction2

v.push_back(1); 
// A Construction2
// A Move Construction

v.emplace_back(tem); 
// A Copy Construction

v.push_back(tem); 
// A Copy Construction

v.emplace_back(A(1));
// A Construction2
// A Move Construction

v.push_back(A(1));
// A Construction2
// A Move Construction

v.push_back(std::move(A(1))); 
// A Construction2
// A Move Construction

v.emplace_back(std::move(A(1))); 
// A Construction2
// A Move Construction

v.push_back(std::move(tem3)); 
// A Move Construction

v.emplace_back(std::move(tem)); 
// A Move Construction

从代码中我们可以明显看出，只有在直接传入参数构造时，push_back 和 emplace_back 的行为存在差异。
有小伙伴可能会疑惑，以下部分似乎有些不妥：

v.emplace_back(1); 
// A Construction2

v.push_back(1);  // 传入1？不应该传入A类对象吗？
// A Construction2
// A Move Construction

由此可见：

• 两者之间的区别仅在于直接构造时的使用参数传递。
• 而由于 push_back 只能接受对象，若忽略多余的构造过程，两者实际上没有本质区别。

此过程指的是 v.push_back(1); 将 1 构造为 A 类对象。

因此，可以得出结论：这两者在本质上并没有太大的差异，在程序员视角中，甚至可以认为没有差距。

源代码分析

1. push_back(左值)

这是 push_back 的左值引用版本，用于向 std::vector 添加元素，具体步骤如下：

push_back(const value_type& __x) {
    if (this->_M_impl._M_finish != this->_M_impl._M_end_of_storage) {
        _GLIBCXX_ASAN_ANNOTATE_GROW(1);
        _Alloc_traits::construct(this->_M_impl, this->_M_impl._M_finish, __x);
        ++this->_M_impl._M_finish;
        _GLIBCXX_ASAN_ANNOTATE_GREW(1);
    } else {
        _M_realloc_insert(end(), __x);
    }
}

解析：

• 检查容量：

  if (this->_M_impl._M_finish != this->_M_impl._M_end_of_storage)
  • _M_finish 指向当前 vector 的最后一个元素的下一个位置。
  • _M_end_of_storage 是 vector 当前分配的内存的结束位置。
  • 当 _M_finish 不等于 _M_end_of_storage 时，说明还有空间可以添加新元素。

• 构造元素：

  _Alloc_traits::construct(this->_M_impl, this->_M_impl._M_finish, __x);
  • 使用分配器构造一个新元素，内容与 __x 相同。
  • 这实际上是调用 __x 的拷贝构造函数。

• 更新状态：

  ++this->_M_impl._M_finish;
  • 增加 _M_finish 的值，以反映新元素的添加。

• 处理异常：

  • _GLIBCXX_ASAN_ANNOTATE_GROW(1) 和 _GLIBCXX_ASAN_ANNOTATE_GREW(1) 用于 AddressSanitizer 的注释，帮助检测内存使用问题。

• 重新分配内存：

  else
  _M_realloc_insert(end(), __x);
  • 如果没有足够的空间，调用 _M_realloc_insert 来重新分配内存并插入元素 __x。

省流：

若传入的是左值，则在Vector中调用拷贝构造函数，构造新对象。

2. push_back(右值)

这是 push_back 的右值引用版本，适用于移动语义。它的实现非常简洁，实际上调用了 emplace_back：

void push_back(value_type&& __x) {
    emplace_back(std::move(__x));
}

解析：

• 移动构造：
  • std::move(__x) 将 __x 转换为右值，使其可以被移动。
  • 这个版本会直接调用 emplace_back，实现更高效的元素添加。

省流：

如果传入的是右值，push_back 会调用emplace_back来构造新对象。

3. emplace_back()

这是一个可变参数模板函数，用于在 vector 中就地构造新元素。

template<typename... _Args>
void emplace_back(_Args&&... __args) {
    if (this->_M_impl._M_finish != this->_M_impl._M_end_of_storage) {
        _GLIBCXX_ASAN_ANNOTATE_GROW(1);
        _Alloc_traits::construct(this->_M_impl, this->_M_impl._M_finish, std::forward<_Args>(__args)...);
        ++this->_M_impl._M_finish;
        _GLIBCXX_ASAN_ANNOTATE_GREW(1);
    } else {
        _M_realloc_insert(end(), std::forward<_Args>(__args)...);
    }
}

解析：

• 检查容量：

  • 与 push_back 类似，首先检查当前 vector 是否有足够的空间。

• 就地构造元素：

  _Alloc_traits::construct(this->_M_impl, this->_M_impl._M_finish, std::forward<_Args>(__args)...);
  • 使用 std::forward 完美转发参数，使得可以根据参数的类型（左值或右值）调用适当的构造函数。

• 更新状态：

  • 增加 _M_finish 的值，反映新元素的添加。

• 重新分配内存：

  • 如果没有足够的空间，同样调用 _M_realloc_insert。

省流：

触发完美转发

• 传入普通参数时调用普通构造函数。
• 传入左值引用时调用拷贝构造函数。
• 传入右值引用时调用移动构造函数。

总结

1. push_back 的左值引用版本会复制元素并添加到 vector 中，如果没有空间，则重新分配内存，触发拷贝构造。
2. push_back 的右值引用版本通过移动语义来提高效率，直接调用 emplace_back。
3. emplace_back 允许在 vector 中直接构造元素，使用完美转发来支持多种参数类型，进一步优化性能。

所以遇到问题可以去翻阅源代码，能够更加清晰的了解这些功能。