STL六大组件简介

一、STL简介

STL（Standard Template Library，标准模板库)是惠普实验室开发的一系列软件的统称。它是由Alexander Stepanov、Meng Lee和David R Musser在惠普实验室工作时所开发出来的。现在虽说它主要出现在C++中，但在被引入C++之前该技术就已经存在了很长的一段时间。

STL的代码从广义上讲分为三类：algorithm（算法）、container（容器）和iterator（迭代器），几乎所有的代码都采用了模板类和模版函数的方式，这相比于传统的由函数和类组成的库来说提供了更好的代码重用机会。在C++标准中，STL被组织为下面的13个头文件：

<algorithm>、<deque>、<functional>、<iterator>、<vector>、<list>、<map>、
<memory>、<numeric>、<queue>、<set>、<stack>和<utility>。 

STL（Standard Template Library），即标准模板库，是一个具有工业强度的，高效的C++程序库。它被容纳于C++标准程序库（C++ Standard Library）中，是ANSI/ISO C++标准中最新的也是极具革命性的一部分。该库包含了诸多在计算机科学领域里所常用的基本数据结构和基本算法。为广大C++程序员们提供了一个可扩展的应用框架，高度体现了软件的可复用性。

从逻辑层次来看，在STL中体现了泛型化程序设计的思想（generic programming），引入了诸多新的名词，比如像需求（requirements），概念（concept），模型（model），容器（container），算法（algorithmn），迭代子（iterator）等。与OOP（object-oriented programming）中的多态（polymorphism）一样，泛型也是一种软件的复用技术。

从实现层次看，整个STL是以一种类型参数化（type parameterized）的方式实现的，这种方式基于一个在早先C++标准中没有出现的语言特性–模板（template）。如果查阅任何一个版本的STL源代码，你就会发现，模板作为构成整个STL的基石是一件千真万确的事情。除此之外，还有许多C++的新特性为STL的实现提供了方便。

以下为STL六大组件：

• 算法（Algorithm）：是用来操作容器中的数据的模板函数。例如，STL用sort()来对一个vector中的数据进行排序，用find()来搜索一个 list中的对象，函数本身与他们操作的数据的结构和类型无关，因此他们可以在从简单数组到高度复杂容器的任何数据结构上使用；

• 容器（Container）: 是一种数据结构，如list，vector，和deques ，以模板类的方法提供。为了访问容器中的数据，可以使用由容器类输出的迭代器；

• 迭代器（Iterator）：提供了访问容器中对象的方法。例如，可以使用一对迭代器指定list或vector中的一定范围的对象。迭代器就如同一个指针。事实上，C++的指针也是一种迭代器。但是，迭代器也可以是那些定义了operator*()以及其他类似于指针的操作符地方法的类对象；
• 仿函数（Function object，仿函数(functor)又称之为函数对象（function object）：其实就是重载了()操作符的struct，没有什么特别的地方
• 迭代适配器（Adaptor）
• 空间配制器（allocator）：其中主要工作包括两部分1.对象的创建与销毁 2.内存的获取与释放

二、算法

算法Algorithms，用来处理群集内的元素。它们可以出于不同的目的而搜寻、排序、修改、使用那些元素。通过迭代器的协助，我们可以只需编写一次算法，就可以将它应用于任意容器，这是因为所有的容器迭代器都提供一致的接口。

算法部分主要由头文件algorithm，numeric和functional组成。

<algorithm>是所有STL头文件中最大的一个（尽管它很好理解），它是由一大堆模版函数组成的，可以认为每个函数在很大程度上都是独立的，其中常用到的功能范围涉及到比较、交换、查找、遍历操作、复制、修改、移除、反转、排序、合并等等。

<numeric>体积很小，只包括几个在序列上面进行简单数学运算的模板函数，包括加法和乘法在序列上的一些操作。

<functional>中则定义了一些模板类，用以声明函数对象。

三、容器

容器类是容纳、包含一组元素或元素集合的对象

七种基本容器：

向量（vector）、双端队列（deque）、列表（list）、集合（set）、多重集合（multiset）、映射（map）和多重映射（multimap）

容器又分为：序列式容器和关联式容器

序列式容器(Sequence containers)：其中每个元素均有固定位置——取决于插入时机和地点，和元素值无关。（vector、deque、list）

关联式容器(Associative containers)：元素位置取决于特定的排序准则以及元素值，和插入次序无关。（set、multiset、map、multimap）

1. 需要频繁在序列中间位置上进行插入和/或删除操作且不需要过多地在序列内部进行长距离跳转，应该选择list
2. vector头部与中间插入删除效率较低，在尾部插入与删除效率高。
3. deque是在头部与尾部插入与删除效率较高

set/map/multiset/multimap

set，同map一样，所有元素都会根据元素的键值自动被排序，因为set/map两者的所有各种操作，都只是转而调用RB-tree的操作行为，不过，值得注意的是，两者都不允许两个元素有相同的键值。

不同的是：set的元素不像map那样可以同时拥有实值(value)和键值(key)，set元素同时拥有实值和键值，且实值就是键值，键值就是实值，而map的所有元素都是pair，同时拥有实值(value)和键值(key)，pair的第一个元素被视为键值，第二个元素被视为实值。

至于multiset/multimap，他们的特性及用法和set/map完全相同，唯一的差别就在于它们允许键值重复，即所有的插入操作基于RB-tree的insert_equal()而非insert_unique()。

hash_set/hash_map/hash_multiset/hash_multimap

hash_set/hash_map，两者的一切操作都是基于hashtable之上。不同的是，hash_set同set一样，同时拥有实值和键值，且实值就是键值，键值就是实值，而hash_map同map一样，每一个元素同时拥有一个实值(value)和一个键值(key)，所以其使用方式，和上面的map基本相同。但由于hash_set/hash_map都是基于hashtable之上，所以不具备自动排序功能。为什么? 因为hashtable没有自动排序功能。

至于hash_multiset/hash_multimap的特性与上面的multiset/multimap完全相同，唯一的差别就是它们hash_multiset/hash_multimap的底层实现机制是hashtable(而multiset/multimap，上面说了，底层实现机制是RB-tree)，所以它们的元素都不会被自动排序，不过也都允许键值重复。

所以说白了，什么样的结构决定其什么样的性质，因为set/map/multiset/multimap都是基于RB-tree之上，所以有自动排序功能，而hash_set/hash_map/hash_multiset/hash_multimap都是基于hashtable之上，所以不含有自动排序功能，至于加个前缀multi_无非就是允许键值重复而已。

std::tr1::unordered_map 是无序哈希表，但操作效率要比 std::map、std::hash_map、 __gnu_cxx::hash_map 都要高，可以研究一下。

四、迭代器

1. 迭代器Iterators，用来在一个对象群集（collection of objects）的元素上进行遍历。这个对象群集或许是个容器，或许是容器的一部分。迭代器的主要好处是，为所有容器提供了一组很小的公共接口。迭代器以++进行累进，以*进行提领，因而它类似于指针，我们可以把它视为一种smart pointer
2. 比如++操作可以遍历至群集内的下一个元素。至于如何做到，取决于容器内部的数据组织形式。
3. 每种容器都提供了自己的迭代器，而这些迭代器能够了解容器内部的数据结构。

五、函数对象

1. 函数对象（function object）也称为仿函数（functor）
2. 一个行为类似函数的对象，它可以没有参数，也可以带有若干参数。
3. 任何重载了调用运算符operator()的类的对象都满足函数对象的特征
4. 函数对象可以把它称之为smart function。
5. STL中也定义了一些标准的函数对象，如果以功能划分，可以分为算术运算、关系运算、逻辑运算三大类。为了调用这些标准函数对象，需要包含头文件。

六、空间配置器

负责空间配置与管理。从实现的角度来看，配置器是一个实现了动态空间配置、空间管理、空间释放的class template。

隐藏在这些容器后的内存管理工作是通过STL提供的一个默认的allocator实现的。当然，用户也可以定制自己的allocator，只要实现allocator模板所定义的接口方法即可，然后通过将自定义的allocator作为模板参数传递给STL容器，创建一个使用自定义allocator的STL容器对象。

大多数情况下，STL默认的allocator就已经足够了。这个allocator是一个由两级分配器构成的内存管理器，当申请的内存大小大于128byte时，就启动第一级分配器通过malloc直接向系统的堆空间分配，如果申请的内存大小小于128byte时，就启动第二级分配器，从一个预先分配好的内存池中取一块内存交付给用户，这个内存池由16个不同大小（8的倍数，8~128byte）的空闲列表组成，allocator会根据申请内存的大小（将这个大小round up成8的倍数）从对应的空闲块列表取表头块给用户。

这种做法有两个优点：

• 小对象的快速分配。小对象是从内存池分配的，这个内存池是系统调用一次malloc分配一块足够大的区域给程序备用，当内存池耗尽时再向系统申请一块新的区域，整个过程类似于批发和零售，起先是由allocator向总经商批发一定量的货物，然后零售给用户，与每次都总经商要一个货物再零售给用户的过程相比，显然是快捷了。当然，这里的一个问题时，内存池会带来一些内存的浪费，比如当只需分配一个小对象时，为了这个小对象可能要申请一大块的内存池，但这个浪费还是值得的，况且这种情况在实际应用中也并不多见。
• 避免了内存碎片的生成。程序中的小对象的分配极易造成内存碎片，给操作系统的内存管理带来了很大压力，系统中碎片的增多不但会影响内存分配的速度，而且会极大地降低内存的利用率。以内存池组织小对象的内存，从系统的角度看，只是一大块内存池，看不到小对象内存的分配和释放。

此文章转载自：https://blog.csdn.net/jnu_simba/article/details/9410459

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