push_back和 emplace_back背后的逻辑

push_back 与 emplace_back 的区别

1. push_back：

   • 功能：将一个对象（或其副本）添加到 vector 的末尾。
   • 参数：接受一个对象（或其副本）的引用。
   • 过程：
     • 如果传入的是一个临时对象或一个已有对象，push_back 会创建该对象的副本（或者通过移动构造函数将其移动到 vector 中）。
     • 可能会涉及到复制构造函数或移动构造函数，特别是在添加复杂对象时，这可能会带来额外的性能开销。
   • 示例：

     std::vector<std::string> vec;
     std::string str = "Hello";
     vec.push_back(str); // 复制 str 到 vector 的末尾
     vec.push_back("World"); // 复制临时字符串到 vector 的末尾
     

2. emplace_back：

   • 功能：在 vector 的末尾直接构造一个对象，避免了不必要的复制或移动。
   • 参数：接受对象构造函数的参数，这些参数会被直接传递给对象的构造函数。
   • 过程：
     • 直接在 vector 的末尾构造对象，无需创建临时对象或复制现有对象。
     • 这通常会提高性能，尤其是在构造复杂对象时，因为它避免了不必要的中间步骤。
   • 示例：

     std::vector<std::string> vec;
     vec.emplace_back("Hello"); // 直接在 vector 的末尾构造 std::string 对象
     vec.emplace_back("World", 5, 'X'); // 直接在 vector 的末尾构造 std::string 对象，使用构造函数参数
     

让我们用更简单的语言来解释“原地构造”以及它如何通过构造函数参数转发来实现。

原地构造的解释

原地构造是指在一个已经分配好的内存位置上直接创建一个对象。这个过程避免了创建临时对象和额外的复制操作，从而提高效率。

比喻

想象你有一个大空盒子（内存），你已经把这个盒子放在了一个特定的位置（比如一个房间的角落）。你现在要在这个盒子里直接组装一个玩具（对象），而不是先组装一个玩具，然后再把它放到盒子里。这就是原地构造——直接在那个空盒子里组装玩具，省去了中间的步骤。

构造函数参数转发

构造函数参数转发的作用是把你传给构造函数的参数直接传递给对象的构造函数，而不需要先创建一个临时对象。这可以避免不必要的复制，并提高效率。

示例

假设你有一个容器（比如 std::vector），你想要把一个新对象添加到容器中。传统的方法可能是：

1. 创建一个临时对象：在你把对象放到容器里之前，你首先要创建一个临时对象。
2. 将临时对象添加到容器：然后把这个临时对象复制到容器中。

这两个步骤可能很耗时间，尤其是当对象比较复杂时。

原地构造通过构造函数参数转发可以简化这个过程：

• 原地构造：在已分配好的内存位置直接构造对象，避免了不必要的中间步骤和复制。
• 构造函数参数转发：将参数直接传递给构造函数，使得对象可以在目标位置直接构造，而不需要创建临时对象。

通过原地构造和参数转发可以让程序更加高效，特别是在处理大量数据或复杂对象时。

构造函数参数转发的基本概念

构造函数参数转发是 C++ 中的一种技术，它允许你将传递给一个函数的参数直接传递给另一个构造函数。这通常通过完美转发（perfect forwarding）来实现。完美转发确保了参数的类型和值特性（如左值、右值）能够保持不变，避免了不必要的复制或移动。

逻辑解析

1. 目标：

   • 直接在目标位置构造对象，避免创建临时对象和多次复制。

2. 过程：

   • 构造函数参数：当你调用一个成员函数（例如 emplace_back）时，传递给它的参数是用于构造一个新对象的。
   • 完美转发：emplace_back 这种函数会使用完美转发，将这些参数原样传递给目标对象的构造函数。

完美转发的实现

C++ 中的完美转发通常通过模板和 std::forward 实现。下面是一个简单的例子，演示如何通过模板函数来转发参数：

#include <utility> // for std::forward

template <typename T, typename... Args>
void construct(T& obj, Args&&... args) {
    new (&obj) T(std::forward<Args>(args)...); // 使用原地构造
}

在这个例子中，construct 函数使用 std::forward 将参数 args 直接转发给 T 的构造函数。这确保了参数的类型和特性被保留，并且 T 对象会在指定的位置（由 &obj 指定）原地构造。

• 构造函数参数转发：将函数参数直接传递给另一个构造函数，从而在目标位置直接构造对象。
• 完美转发：确保传递的参数保持其原始特性（如左值或右值），避免不必要的复制或移动。
• 原地构造：在已经分配好的内存区域内直接创建对象，减少了中间步骤和复制开销。

使用原地构造和构造函数参数转发可以使程序更加高效，特别是在处理复杂对象和大数据量时。

使用 emplace_back 代替 push_back

• 性能：emplace_back 可以在大多数情况下完全代替 push_back，而且在性能上通常优于 push_back。特别是当你向 vector 添加复杂对象时，emplace_back 可以避免不必要的复制或移动，减少性能开销。

• 适用性：emplace_back 更适用于需要直接在 vector 内部构造对象的情况。例如，当你要创建一个对象并将其添加到 vector 时，emplace_back 允许你直接传递构造函数参数而无需先创建临时对象。对于简单对象（如内置类型或小型 POD 类型），push_back 和 emplace_back 的差异可能不明显，但 emplace_back 仍然是更灵活和高效的选择。

• 兼容性：emplace_back 可以用来代替 push_back，但 push_back 不能完全代替 emplace_back，因为 push_back 需要一个已经构造好的对象（或临时对象），而 emplace_back 允许在 vector 内部直接构造对象，避免了中间步骤。

结论

• 使用 emplace_back：在可以直接构造对象的情况下，emplace_back 更优，因为它避免了不必要的复制或移动，提升性能。emplace 函数的主要任务是在这些已经分配的内部内存区域中直接构造对象
• 使用 push_back：在需要传递已有对象时，使用 push_back 是合适的。它在添加现有对象时仍然有效。

总的来说，emplace_back 是 push_back 的一种更高效的选择，可以在大多数情况下完全代替 push_back。然而，根据实际情况和需求，选择合适的方法可以使代码更简洁和高效。