对象和子类的高效容器答案

【问题标题】：Efficient container for Object and Subclass对象和子类的高效容器
【发布时间】：2021-08-05 06:33:28
【问题描述】：

我需要什么

我需要一个容器来存储对象A 和派生子类B 的实例。具体来说，我需要实现以下任务：

高效添加新实例（追加即可）。
在容器中的随机位置高效删除实例（无需按索引查找；在迭代容器时会删除对象）。
对容器中的元素进行高效迭代。这是最重要的部分，因为迭代比操作更频繁。

示例

头文件可能如下所示：

int globalB = 5;

// Base class
class A {
public:
    A(a) : a(a);
    ~A();

    int a;

    virtual int get_b() {
        return globalB;
    }
};

// Derived class
class B : public A {
public:
    B(a, b) : A(a), b(b);
    ~B();

    int a;
    int b;

    int get_b() {
        return b;
    }
};

// Container
class Container {
public:
    Container();
    ~Container();

    // adds an A element
    void add_element(a);

    // adds a B element
    void add_element(a, b);

    // removes all elements with (elem.a == 0)
    void remove_a0_elements();

    // Iterator (I will still have to figure out how this is done properly)
    struct Iterator { /* ... */ };
};


static int example_usage() {

    auto container = Container();
    for (int a=1; i<=100; i++) {
        container.add_element(a);
        container.add_element(a, a);
    }

    int sum = 0;
    for (auto &elem : container) {
        sum += elem.get_b();
    }

    return sum;
}

请注意，与示例所建议的不同，元素不会在连续操作中添加，而是在程序中随机添加。当然，我用来完成示例中任务的容器的任何结构也都很好（例如，通过移交它而不是就地构建它来添加一个元素）。如果有一些内存开销，那不是主要问题，因为所有对象加起来都不是很大。

到目前为止我的想法

我考虑过使用std::unique_ptr 的向量来完成任务，正如here 所建议的那样。但是，我担心内存会以这种方式分散，从而大大降低迭代的性能（请参阅here）。另一个想法是让Container 包装两个向量——分别是A 和B——但是我不知道如何构建迭代器。此外，这将使使用更多子类变得困难（我需要它至少适用于两对基类和子类）。

问题

是否有任何标准容器可以满足我的需求？
如果不是，根据需要实现容器的优雅方式是什么？
有没有办法在不知道大小的情况下“保留”一块内存来构造Container 的元素？然后我可以包装一个指针向量并规避分散内存的问题。

【问题讨论】：

std::vector< std::unique_ptr< A > > 怎么样？
@RichardCritten 不会因为内存分散而导致问题吗？（见问题）
对此我不是 100% 确定，但我想我已经得到了关于保留内存部分的答案。您可以保留相当大的内存块，然后使用placement-new 就地构造一个元素：en.cppreference.com/w/cpp/language/new
考虑到需求我宁愿推荐std::deque而不是std::vector。也使用emplace 函数而不是push。
关于性能 - 让它工作 - 测量 - 优化。

标签： c++ iterator containers subclass stdvector

【解决方案1】：

这里容器类型和元素存储的选择其实是正交的：即使元素是分开分配的，std::vector<std::unique_ptr<A>>也不能支持高效的删除和迭代同时。您当然可以reset 一个元素，但是每次迭代都必须花时间跳过它。

可以使用空闲列表来扩充数据结构以允许重用空槽，并使用空槽计数以允许在迭代期间有效地跳过它们。结果是“colony” data structure（可能以std::hive 的形式包含在C++23 中）。请注意，它不会追加：新元素以未指定的顺序重复使用已删除元素的空间。

元素类型还有待选择：可以使用std::variant<A,B>，类似的自定义类型知道B派生自A（以便为客户提供A&更容易），或者您可以使用单独的容器方法（对排序有自己的影响）。

【讨论】：