在Qt库中为我们提供了一系列的基于模板的容器类。这些类可以被用来存储特定类型的项。例如,如果你需要一个大小可以变得QString数组,那么可以使用QVector
这些容器类都是隐式共享的,可重入的,并且在速度上进行了优化,内存占用少,内联代码扩展少,从而可以产生更小的可执行文件。此外,当他们被用作只读容器时,还是线程安全的。对于遍历这些容器来说,可以使用两种类型的迭代器:Java风格的迭代器和STL风格的迭代器。其中,Java风格的迭代器更容易使用,特别是对于Java工作人员来说,它提供了高层次的函数;然而,STL风格的迭代器会更高效,并且可以和Qt和STL的通用算法结合使用。另外,Qt还提供了一个foreach关键字,使遍历容器中的每一项更容易了。
Qt中的容器和STL中的类似,也分为序列式容器和关联式容器。其中,序列式容器有:QList,QLinkedList,QVector,QStack,QQueue。对大部分应用程序来说,QList都是一个很好的选择。尽管它在底层被实现为一个array-list,但它为我们提供了非常快速的添加操作,包括在头部添加和在尾部添加。如果你确实需要一个linked-list,可以使用QLinkedList;如果你想确保你的元素占用连续的内存空间,可以使用QVector。而QStack和QQueue是两个提供了LIFO和FIFO语义的方便类。
除了序列式容器,Qt中还提供了关联式容器:QMap,QMultiMap,QHash,QMultiHash,QSet。这些容器中存储的都是key-value对。其中,"Multi"容器又支持一个key可以关联多个value。"Hash"容器通过使用一个hash函数而不是二分搜索提供了更快速的查找操作。
我们将这些容器类的总结在下表中:
QList |
这是最通用的一个容器类。它里面存储了给定类型T的一个列表,这个列表可以使用下标来访问。其实,在底层QList被实现为一个数组, 确保基于下标的访问非常快速。可以使用QList::append()和QList::prepend()向链表的两端添加元素,或者使用QList::insert()在链表的中间插入元素。 并且,和其他容器相比,更重要的是,QList在可执行文件中展开的代码量是非常少的,是经过高度优化的。QStringList就继承自QList |
QLinkedList |
这个容器类类似于QList,只不过它是使用迭代器来访问,而不是下标。当从中间插入时,它的效率比QList还要高。并且,它有更好的迭代器语义。 即指向QLinkedList中某个元素的迭代器,只有该元素存在就会一直保持有效,而指向QList中某元素的迭代器,在向QList进行任意插入或删除时都会导致 该迭代器失效。 |
QVector |
这个容器类会在一块相邻的内存中存储一个给定类型的值的数组。在一个vector的前端或中间插入是非常慢的,因为这会导致大量现存的元素移动以为新的 元素腾出位置。 |
QStack |
这个容器类继承自QVector,提供了“先入后出”的语义。 |
QQueue |
这个容器类继承自QList,提供了“先入先出”的语义。 |
QSet |
这个容器类提供了不允许有重复值的集合,提供快速的查找效率。 |
QMap |
这个容器类提供了一个字典形式的容器,它会将Key类型的值映射到T类型的value上。通常情况下,每一个key只关联一个值。并且,QMap会按Key的顺序存储 相应的值;所以,如果不关心元素的存储顺序,QHash是一个更好的选择。 |
QMaultiMap |
这个容器类继承自QMap,提供了多值的字典,也就是说,该容器中的一个key可以关联多个值。 |
QHash |
这个容器类的API和QMap几乎一样,但它提供了更快速的查找操作。并且,该类会按任意的顺序存储值。 |
QMultiHash |
这个容器类继承自QHash,提供了多值hash表。 |
容器是可以嵌套使用的。例如,可以使用QMap
上面提到的这些容器分别被定义在各自的、名称和容器名一样的头文件中。例如,
这些容器中存储的值可以是任何能被赋值的数据类型,即该类型必须提供一个默认的构造函数、一个拷贝构造函数、一个赋值运算符。这样的数据类型涵盖了大部分你可以存储的类型,包括基本类型入int和double,指针类型,Qt的数据类型QString,QDate,QTime,但不包括QObject或其子类(QWidget,QDialog,QTimer等等)。如果你尝试构建一个QList
一个可以存储在容器中的可赋值数据类型,类似于下面这个自定义类型:
class Employee
{
public:
Employee() {}
Employee(const Employee &other);
Employee &operator=(const Employee &other);
private:
QString myName;
QDate myDateOfBirth;
};
struct Movie
{
int id;
QString title;
QDate releaseDate;
};
Qt的容器还提供了operator<<() 和 operator>>() 以使它们可以方便的使用QDataStream类读取或写入数据。这也意味着存储在容器中的数据类型必须支持这两种操作。提供这种支持是很简单的。比如,下面的例子,是我们为上面声明的Movie结构体提供的 << 和 >>运算符:
QDataStream &operator<<(QDataStream &out, const Movie &movie)
{
out << (quint32)movie.id << movie.title
<< movie.releaseDate;
return out;
}
QDataStream &operator>>(QDataStream &in, Movie &movie)
{
quint32 id;
QDate date;
in >> id >> movie.title >> date;
movie.id = (int)id;
movie.releaseDate = date;
return in;
}
至于对容器的操作,和stl一样,通常是使用迭代器。迭代器为访问容器中的元素提供了一个统一的方式。Qt中的容器类提供了两类迭代器:Java风格的迭代器和STL风格的迭代器。但是,当容器中的数据被修改后或由于调用了non-const成员函数导致其脱离了隐式共享,那么这两种迭代器都会失效。
Java风格的迭代器:
Java风格的迭代器在Qt4中被引入,成功Qt应用程序的标准组件。它们比STL风格的迭代器更好用,带代价是效率更低。这些迭代器都是特定的类,所以其具体使用方法在每个类的文档中有详细说明。另外,每一个容器类都又提供了两种类型的Java风格的迭代器:一种是只读迭代器,一种是读写迭代器。详细类型说明如下表:
Containers | Read-only iterator | Read-write iterator |
QList |
QListIterator |
QMutableListIterator |
QLinkedList |
QLinkedListIterator |
QMutableLinkedListIterator |
QVector |
QVectorIterator |
QMutableVectorIterator |
QSet |
QSetIterator |
QMutableSetIterator |
QMap |
QMapIterator |
QMutableMapIterator |
QHash |
QHashIterator |
QMutableHashIterator |
不像STL风格的迭代器,Java风格的迭代器指向两个元素之间,而不是直接指向某个具体的元素。由于这个原因,这些迭代器要么指向第一个元素前面,要么指向最后一个元素后面,要么在某两个元素之间。下面的图示显示了对于一个链表来说,有效的迭代器指向:
下面的代码展示了,使用Java风格的迭代器遍历一个QList的典型做法:
QList list;
list << "A" << "B" << "C" << "D";
QListIterator i(list);
while (i.hasNext())
qDebug() << i.next();
下面的代码展示了怎么从后向前遍历一个QList:
QListIterator i(list);
i.toBack();
while (i.hasPrevious())
qDebug() << i.previous();
该代码和向前遍历的代码类似,除了我们在一开始调用了toBack()函数将迭代器移到最后一个元素的后面。
下面的图示说明了电影next() 和 previous()的作用:
下表中列出了QListIterator类的API及其作用:
toFront() | 移动迭代器到第一个元素之前 |
toBack() | 移动迭代器到最后一个元素之后 |
hasNext() | 如果迭代器还未遍历到列表的最后,返回true |
next() | 返回下一个元素,并将迭代器向前移动一个位置。 |
peekNext() | 返回下一个元素,不移动迭代器。 |
hasPrevious() | 如果迭代器还未遍历到列表的前端,返回true。 |
previous() | 返回前一个元素,并将迭代器向后移动一个位置。 |
peekPrevious() | 返回前一个元素,不移动迭代器。 |
另外,上面我们就说过,QListIterator是只读迭代器,所以,我们无法使用该迭代器在遍历的过程中进行插入或删除操作。要使用这种功能,必须使用QMutableListIterator。下面的例子展示了使用QMutableListIterator来删除QList中所有的奇数:
QMutableListIterator i(list);
while (i.hasNext()) {
if (i.next() % 2 != 0)
i.remove();
}
QMutableListIterator i(list);
i.toBack();
while (i.hasPrevious()) {
if (i.previous() % 2 != 0)
i.remove();
}
如果我们只是想修改一个现存的元素,我们可以使用setValue()函数。如下面的代码,我们用128替换容器中大于128的元素:
QMutableListIterator i(list);
while (i.hasNext()) {
if (i.next() > 128)
i.setValue(128);
}
类似于remove()函数,setValue()也是工作在我们刚跳过的元素上。如果我们是向前遍历,该元素就是当前迭代器之前的那个元素;如果我们是向后遍历,该元素就是当前迭代器之后的那个元素。
其实,next()函数会返回一个元素的非常量引用。所以,对应简单的操作,我们不需要调用setValue()函数,而是直接进行相应修改即可。如下代码:
QMutableListIterator i(list);
while (i.hasNext())
i.next() *= 2;
我们上面提到过,QLinkedList,QVector,QSet的迭代器操作和QList完全一下。那么,下面我们就来看一下QMapIterator,因为该迭代器是工作在key-value对上,所以和上面讲的有点不同。
类似于QListIterator,QMapIterator也提供了toFront(),toBack(),hasNext(),next(),peekNext(),hasPrevious(),peekPrevious()。至于具体的key和value,我们可以调用key() 和 value() 函数,从next(),peekNext(),previous()或者peekPrevious()返回的对象中提取。
下面的例子中,我们从map中删除所有capital以"City" 结尾的(capital,country)对:
QMap map;
map.insert("Paris", "France");
map.insert("Guatemala City", "Guatemala");
map.insert("Mexico City", "Mexico");
map.insert("Moscow", "Russia");
...
QMutableMapIterator i(map);
while (i.hasNext()) {
if (i.next().key().endsWith("City"))
i.remove();
}
其实,QMapIterator也提供了相应的key() 和 value() 函数,可以直接作用于迭代器本身,返回上次跳过的元素的键和值。例如,下面的代码将QMap的元素拷贝到QHash:
QMap map;
QHash hash;
QMapIterator i(map);
while (i.hasNext()) {
i.next();
hash.insert(i.key(), i.value());
}
如果你想迭代所有具有特定值的元素,可以使用findNext()或findPrevious()。在下面的例子中,我们从容器中删除具有特定值的所有项:
QMutableMapIterator i(map);
while (i.findNext(widget))
i.remove();
STL风格的迭代器,在Qt 2 中就存在了。它们兼容于Qt和STL的通用算法,并且在访问速度上进行了优化。
同样,每一种容器也都提供了两种类型的STL风格迭代器:只读迭代器和读写迭代器。我们应尽量使用只读迭代器,因为它们更快。
我们同样用一张表来列举每一种STL风格的迭代器:
Containers | Read-only iterator | Read-write iterator |
QList |
QList |
QList |
QLinkedList |
QLinkedList |
QLinkedList |
QVector |
QVector |
QVector |
QSet |
QSet |
QSet |
QMap |
QMap |
QMap |
QHash |
QHash |
QHash |
下面的例子代码,是使用STL风格的迭代器遍历QList的典型方式:
QList list;
list << "A" << "B" << "C" << "D";
QList::iterator i;
for (i = list.begin(); i != list.end(); ++i)
*i = (*i).toLower();
不同于Java风格的迭代器,STL风格的迭代器直接指向具体的元素。容器的begin() 方法返回一个指向容器中第一个元素的迭代器。end() 方法返回一个指向容器中最后一个元素的下一个位置的迭代器。end()标识了一个无效的位置,绝不应该对它解引用。它经常被用来在一个循环中做为结束条件。如果链表为空,begin()就等于end()。下面的图示说明了在一个容器中对STL风格的迭代器来说,有效的迭代器位置:
同样,使用STL风格的迭代器做反向遍历的代码如下:
QList list;
list << "A" << "B" << "C" << "D";
QList::reverse_iterator i;
for (i = list.rbegin(); i != list.rend(); ++i)
*i = i->toLower();
}
到目前为止,我们在代码中都是使用一元运算符*来提取某个迭代器位置的元素内容,然后调用QString;:toLower()。其实,大部分c++编译器还允许我们使用i->toLower()的形式。对于只读迭代器,可以使用const_iterator,例如:
QList::const_iterator i;
for (i = list.constBegin(); i != list.constEnd(); ++i)
qDebug() << *i;
接下来,我们也用一张表来总结一下stl风格的迭代器的相关操作:
*i | 返回当前元素 |
++i | 步进迭代器到下一个元素位置 |
i += n | 将迭代器向前步进n个元素 |
--i | 步进迭代器到前一个位置 |
i -= n | 将迭代器向前步进n个位置 |
i - j | 返回 迭代器 i 和 j之间的元素个数 |
对于非const迭代器类型,*运算符返回的值可以被当做左值来使用。
对于QMap和QHash来说,*运算符返回一个元素的value部分。如果你想获得key,可以在迭代器上调用key() 方法。而处于对称性,迭代器还提供了value() 方法来获得value()值。例如,下面的代码说明了怎么打印出QMap中的所有元素:
QMap map;
...
QMap::const_iterator i;
for (i = map.constBegin(); i != map.constEnd(); ++i)
qDebug() << i.key() << ':' << i.value();
并且,由于 “隐式共享”,一个函数返回一个容器的代价并不高。在Qt的API中,包含了很多返回QList或QStringList的函数,比如QSplitter::sizes()。如果你想使用STL风格的迭代器来迭代这些容器,你应该先拿到该容器的一份拷贝,然后遍历这份拷贝。例如:
// RIGHT
const QList sizes = splitter->sizes();
QList::const_iterator i;
for (i = sizes.begin(); i != sizes.end(); ++i)
...
// WRONG
QList::const_iterator i;
for (i = splitter->sizes().begin();
i != splitter->sizes().end(); ++i)
...
如果你只是想顺序的变量容器中的所以元素,可以使用Qt的foreach关键字。这个关键字是Qt特定的,是使用预处理器实现的。
它的语法是:foreach(variable, container) statement。例如,下面的代码说明了怎么使用foreach来迭代QLinkedList
QLinkedList list;
...
QString str;
foreach (str, list)
qDebug() << str;
使用foreach的代码,通常都会比使用迭代器写出的代码更短:
QLinkedList list;
...
QLinkedListIterator i(list);
while (i.hasNext())
qDebug() << i.next();
如果容器中的数据类型不包括逗号,那么,我们还可以将遍历容器所用的变量定义在foreach内部。如下所示:
QLinkedList list;
...
foreach (const QString &str, list)
qDebug() << str;
同样,类似于c++的for循环,当有多条语句时,也可以使用花括号和break关键字:
QLinkedList list;
...
foreach (const QString &str, list) {
if (str.isEmpty())
break;
qDebug() << str;
}
而对于QMap和QHash来说,foreach会访问其中存储的key-value对的value部分。如果你想同时获得key和value,可以使用迭代器,或者先获得其中的key,在通过key取到对应的值。如下代码所示:
QMap map;
...
foreach (const QString &str, map.keys())
qDebug() << str << ':' << map.value(str);
而对于多值关联的map来说,可以使用两个foreach,如下方式访问:
QMultiMap map;
...
foreach (const QString &str, map.uniqueKeys()) {
foreach (int i, map.values(str))
qDebug() << str << ':' << i;
}
在进入一个foreach循环时,Qt会自动拿到容器的一个拷贝。所以,如果你在foreach的过程中,修改了容器,并不会影响这个循环。
所以,相对于Qt的foreach,一个可选的方案是C++11中的基于范围的for循环。但是,要注意的是,基于范围的for循环可以会强制一个Qt容器脱离隐式共享,而foreach不会。但是,使用foreach总是会拷贝容器,这个代价对STL的容器来说,通常是昂贵的。所以,一般,我们可以对Qt容器使用foreach关键字,而对于STL的容器使用基于范围的for循环。而除了上面的foreach之外,Qt还为无限循环提供了一个伪关键字:forever。使用如下:
forever {
//一直执行的代码
}
当然,如果你担心这些Qt特定的关键字会导致名称空间的污染,也可以禁用跌这些宏。只需在.pro文件中添加如下一句即可:
CONFIG += no_keywords
Qt中包含三个模板类,其在某些方面类似于容器。但这些类不提供迭代器,也不能用于foreach关键字。
算法复杂度是当容器中的元素增多时每一个函数的运行速度是多块或多慢。例如,在QLinkedList的中间插入一个元素是一个非常快速的操作,而不管当前链表中有多少元素。另一方面,在QVector的中间插入一个元素效率就是非常低下的,特别是当QVector中已经有了大量的元素,因为,这个操作会导致QVector中一半的元素都要在内存中移动一个位置。
为了描述算法复杂度,我们使用以下几个术语,基于"big O":
Index lookup | Insertion | Prepending | Appending | |
QLinkedList |
O(n) | O(1) | O(1) | O(1) |
QList |
O(1) | O(n) | Amort. O(1) | Amort. O(1) |
QVector |
O(1) | O(n) | O(n) | Amort. O(1) |
对于QVector,QHash,和QSet,追加一个元素的性能平均是O(n)。不过,我们可以在真正插入元素之前,使用将要存储的元素数目来调用QVector::reserve(),QHash::reserve()或者QSet::reserve()把这个复杂度降低到O(1)。
生长策略
QVector
考虑下面的代码段,其从一个QString构建了一个QString:
QString onlyLetters(const QString &in)
{
QString out;
for (int j = 0; j < in.size(); ++j) {
if (in[j].isLetter())
out += in[j];
}
return out;
}
我们动态的构建了一个QString out对象,使用一次追加一个字符的方式。我们先假定要向QString追加15000个字符。在此过程中会进行18次内存的重新分配(而不是15000次),分别是:4,8,16,20,52,116,244,500,1012,2036,4084,6132,8180,10288,12276,14324,16372。到最后,QString对象有16372个Unicode字符空间被分配,其中的15000个被占用。
上面的这些内存数值可能很奇怪,但下面有一些指导原则: