《STL源码剖析》——第一、二、三章

 第一章：概论：

换句话说，STL所实现的，是依据泛型思维架设起来的一个概念结构。这个以抽象概念（abstract concepts）为主体而非以实际类（classes）为主体的结构，形成了一个严谨的接口标准。在此接口之下，任何组件都有最大的独立性，并以所谓迭代器（iterator）胶合起来，或以所谓配接器（adapter）互相配接，或以所谓仿函数（functor）动态选择某种策略（policy或strategy）。

 

 STL提供六大组件

1.容器（containers）：各种数据结构，如 vector，list，deque，set，map，用来存放数据，详见本书4，5两章。从实现的角度来看，STL容器是一种class template。就体积而言，这一部分很像冰山在海面下的比率。

 

2.算法（algorithms）：各种常用算法如sort，search，copy，erase…详见第6章。从实现的角度来看，STL算法是一种function template。

 

3.迭代器（iterators）：扮演容器与算法之间的胶合剂，是所谓的“泛型指针”，详见第3章。共有五种类型，以及其它衍生变化。从实现的角度来看，迭代器是一种将 operator*，operator->，operatort+，operator--等指针相关操作予以重载的class template。所有STL容器都附带有自己专属的迭代器——是的，只有容器设计者才知道如何遍历自己的元素。原生指针（native pointer）也是一种迭代器。

 

4.仿函数（functors）：行为类似函数，可作为算法的某种策略（policy），详见第7章。从实现的角度来看，仿函数是一种重载了operator（）的class或class template.一般函数指针可视为狭义的仿函数。

 

5.配接器（adapters）：一种用来修饰容器（containers）或仿函数（functors）

或迭代器（iterators）接口的东西，详见第8章。例如，STL提供的queue和stack，虽然看似容器，其实只能算是一种容器配接器，因为它们的底部完全借助 deque，所有操作都由底层的deque供应。改变functor接口者，称为function adapter；改变container 接口者，称为container adapter；改变iterator接口者，称为iterator adapter。配接器的实现技术很难一言以蔽之，必须逐一分析，详见第8章。

 

6.配置器（allocators）：负责空间配置与管理，详见第2章。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。

 

 

class alloc{

};

 

 C++11 STL中的容器

==================================================

一、顺序容器：

vector：可变大小数组；

deque：双端队列；

list：双向链表；

forward_list：单向链表；

array：固定大小数组；

string：与vector相似的容器，但专门用于保存字符。

==================================================

二、关联容器：

按关键字有序保存元素：（底层实现为红黑树）

map：关联数组；保存关键字-值对；

set：关键字即值，即只保存关键字的容器；

multimap：关键字可重复的map；

multiset：关键字可重复的set；

--------------------------------------------------------------------------------

无序集合：

【不会按字典规则进行排序】

unordered_map：用哈希函数组织的map；

unordered_set：用哈希函数组织的set；

unordered_multimap：哈希组织的map；关键字可以重复出现；

unordered_multiset：哈希组织的set；关键字可以重复出现。

==================================================

三、其他项：

1、stack、queue、valarray、bitset

随机访问中，[ ]与 .at( )功能相同，但是[ ]越界了会直接导致程序崩溃，而 .at( )会抛出异常，故其更安全！

 

2、size、capacity与shrink_to_fit

size表示目前容器的实际大小、

capacity表示容器的空间，一般 >=size，因为容器初始化或者赋值时，系统会根据情况给予容器一个适当的空间，避免每次增加数据时又得重新新分配空间，索性一次给多点，但也不会很大，

为了节省空间，你可以使用shrink_to_fit将容器空间capacity缩小为size

 

四、迭代器删除失效：

1. vector，erase(pos)，直接把pos+1到finish的数据拷贝到以pos为起点的区间上，也就是vector的长度会逐渐变短，同时iter会逐渐往后移动，直到iter == cont.end()，由于容器中end()返回的迭代器是最后一个元素的下一个（这个地方没有任何值），现在考虑这个状态前一个状态，此时要删除的点是iter, tempIt = iter, ++iter会指向此时的end()，但是执行erase(tempIt)之后，end()向前移动了！！！问题来了，此时iter空了！！！不崩溃才怪。

 

2. list，erase(pos)，干的事情很简单，删除自己，前后的节点连接起来就完了，所以iter自增的过程不会指空，不会崩溃喽。

 

3. map，erase(pos)，干的事情太复杂，但是我们需要知道的信息其实很少。该容器底层实现是RBTree，删除操作分了很多种情形来讨论的，目的是为了维持红黑树性质。但是我们需要知道的就是每个节点类似于list节点，都是单独分配的空间，所以删除一个节点并不会对其他迭代器产生影响，对应到题目中，不会崩溃喽。

 

4. deque，erase(pos)，与vector的erase(pos)有些类似，基于结构的不同导致中间有些步骤不太一致。先说说deque的结构（这个结构本身比较复杂，拣重要说吧，具体看STL源码），它是一个双向开口的连续线性空间，实质是分段连续的，由中控器map维持其整体连续的假象。其实题中只要知道它是双向开口的就够了（可以在头部或尾部增加、删除）。在题中有erase(pos)，deque是这样处理的：如果pos之前的元素个数比较少，那么把start到pos-1的数据移到起始地址为start+1的区间内；否则把pos后面的数据移到起始地址为pos的区间内。在题中iter一直往后移动，总会出现后面数据比前面少的时候，这时候问题就和1一样了，必须崩溃！

 

关联容器(如map, set, multimap,multiset)，【不会失效】删除当前的iterator，只会使当前的iterator失效，只要在erase时，递增当前iterator即可。

 

对于序列式容器(如vector,deque)，【会失效】删除当前的iterator会使后面所有元素的iterator都失效。这是因为vetor,deque使用了连续分配的内存，删除一个元素导致后面所有的元素会向前移动一个位置。不过erase方法可以返回下一个有效的iterator，cont.erase(iter++)可以修改为cont.erase(iter)

list使用了不连续分配的内存，并且它的erase方法也会返回下一个有效的iterator。

 

五、为不同的容器选择不同删除方式

删除连续容器(vector,deque,string)的元素

 1 // 当c是vector、string，删除value
 2 c.erase(remove(c.begin(), c.end(), value), c.end());
 3 
 4 // 判断value是否满足某个条件，删除
 5 bool assertFun(valuetype);
 6 c.erase(remove_if(c.begin(), c.end(), assertFun), c.end());
 7 
 8 // 有时候我们不得不遍历去完成，并删除
 9 for(auto it = c.begin(); it != c.end(); ){
10     if(assertFun(*it)){
11         ···
12         it = c.erase(it);
13     }
14     else
15         ++it;
16 }
17 
18 删除list中某个元素
19 
20 c.remove(value);
21 
22 // 判断value是否满足某个条件，删除    
23 c.remove(assertFun);
24 
25 删除关联容器(set,map)中某个元素
26 
27 c.erase(value)
28     
29 for(auto it = c.begin(); it != c.end(); ){
30     if(assertFun(*it)){
31         ···
32         c.erase(it++);
33     }
34     else
35         ++it;
36 }    
37 

 

 各大容器性能对比：

1、vector

变长一维数组，连续存放的内存块，有保留内存，堆中分配内存；

支持[]操作，高效率的随机访问；

在最后增加元素时，一般不需要分配内存空间，速度快；在中间或开始操作元素时要进行内存拷贝效率低；

vector高效的原因在于配置了比其所容纳的元素更多的内存，内存重新配置会花很多时间；

vector的内存分配：

一般是按你当时存储数据的两倍开辟空间，当插入数据空间不够时，又会重新增加空间至当时数据空间的2倍，此动作降低了vector的工作效率！！！

 

注：需要高效的随即存取，而不在乎插入和删除使用vector。

 

 

2、list

双向链表，内存空间上可能是不连续的，无保留内存，堆中分配内存；

不支持随机存取，开始和结尾元素的访问时间快,其它元素都O（n）；

在任何位置安插和删除元素速度都比较快，安插和删除操作不会使其他元素的各个pointer，reference，iterator失效；

 

注：大量的插入和删除，而不关系随即存取使用list。

 

3、deque

双端队列，在堆上分配内存，一个堆保存几个元素，而堆之间使用指针连接；

 

支持[]操作，在首端和末端插入和删除元素比较快，在中部插入和删除则比较慢，像是list和vector的结合；

 

注：关心插入和删除并关心随即存取折中使用deque。

 

4、set&multiset

有序集合，使用平衡二叉树存储，按照给定的排序规则（默认按less排序）对set中的数据进行排序；

set中不允许有重复元素，multiset中运行有重复元素；

两者不支持直接存取元素的操作；

因为是自动排序，查找元素速度比较快；

不能直接改变元素值，否则会打乱原本正确的顺序，必须先下删除旧元素，再插入新的元素。

 

5、map&multimap

字典库，一个值映射成另一个值，使用平衡二叉树存储，按照给定的排序规则对map中的key值进行排序；

map中的key值不允许重复，multimap中的key允许重复；

根据已知的key值查找元素比较快；

插入和删除操作比较慢。

 

6、hash_map

    hash_map使用hash表来排列配对，hash表是使用关键字来计算表位置。当这个表的大小合适，并且计算算法合适的情况下，hash表的算法复杂度为O(1)的，但是这是理想的情况下的，如果hash表的关键字计算与表位置存在冲突，那么最坏的复杂度为O(n)。

     选用map还是hash_map，关键是看关键字查询操作次数，以及你所需要保证的是查询总体时间还是单个查询的时间。如果是要很多次操作，要求其整体效率，那么使用hash_map，平均处理时间短。如果是少数次的操作，使用 hash_map可能造成不确定的O(N)，那么使用平均处理时间相对较慢、单次处理时间恒定的map，便更好些。

 

 

 STL容器对比： 

	vector	deque	list	set	multiset	map	multimap
名称	向量容器	双向队列容器	列表容器	集合	多重集合	映射	多重映射
内部数 据结构	连续存储的数组形式（一端开口的组）	连续或分段连续存储数组（两端 开口的数组）	双向环状链表	红黑树（平衡检索二叉树）	红黑树	红黑树	红黑树
特  点	获取元素效率很高，插入和删除的 效率很低	获取元素效率较高，插入和删除的效率较高	获取元素效率很低，插入和删除的效率很高	1.键（关键字）和值（数据）相等（就是模版只有一个参数，键和值合起来） 2.键唯一 3.元素默认按升序排列	1.键和值相等 2.键可以不唯一 3.元素默认按升序排列	1.键和值分开（模版有两个参数，前面是键后面是值） 2.键唯一 3.元素默认按键的升序排列	1.键和值分开 2.键可以不唯一 3.元素默认按键的升序排列
头文件	#include	#include	#include	#include	#include	#include	#include
操作元素的方式	下标运算符：[0]（可以用迭代器，但插入删除操作时会失效）	下标运算符或迭代器	只能用迭代器(不断用变量值来递推新值，相当于指针)，不支持使用下标运算符	迭代器	迭代器	迭代器	迭代器
插入删除操作迭代器是否失效	插入和删除元素都会使迭代器失效	插入任何元素都会使迭代器失效。删除头和尾元素，指向被删除节点迭代器失效，而删除中间元素会使所有迭代器失效	插入，迭代器不会失效。删除，指向被删除节点迭代器失效	插入，迭代器不会失效。删除，指向被删除节点迭代器失效	插入，迭代器不会失效。删除，指向被删除节点迭代器失效	插入，迭代器不会失效。删除，指向被删除节点迭代器失效	插入，迭代器不会失效。删除，指向被删除节点迭代器失效

 

 总结：

	vector	deque	list	set	multiset	map	multimap
典型内存结构	单端数组	双端数组	双向链表	二叉树	二叉树	二叉树	二叉树
可随机存取	是	是	否	否	否	对 key 而言：不是	否
	vector	deque	list	set	multiset	map	multimap
元素搜寻速度	慢	慢	非常慢	快	快	对 key 而言：快	对 key 而言：快
元素安插移除	尾端	头尾两端	任何位置	-	-	-	-

 

 

 容器自定义比较方式：

1 struct fruit 
2 {
3         string name; 
4         int price; 
5         friend bool operator <(fruit fl, fruit f2)
6         {
7                 return fl. price>f2. price;
8         }
9 };

 

 STL容器新颖使用

将数组中的值直接付给容器

int arry[size] = {0,1,2,3,4,5,6};

xxxcontain(arry, arry+size);//即将数组中的值直接初始化赋予了容器中

  

 

 

 简介SGI：

vector:

 

 

 1 class alloc{
 2 
 3 };
 4 
 5 template <class T,class Alloc=alloc>
 6 
 7 class vector{
 8 
 9 public：
10 
11     void swap(vector&){
12 
13         cout<<"swap()"<< endl；
14 
15     }
16 
17 };
18 
19 vector<int>x,y;
20 
21 template <class T,class Alloc=alloc>
22 class vector{
23 public:
24     typedef T value_type; 
25     typedef value_type* iterator; 
26     template <class I>
27     void insert(iterator position,I first,I last){
28         cout <<"insert()"<< endl;
29     }
30 };
31 vector<int>x;
32 vector<int>::iterator ite;

  

stack:

 

 1 template <class T,clase A1loc=alloc,size_t BufSiz=0>
 2 
 3 class deque{
 4 
 5 public:
 6 
 7     deque(){
 8 
 9         cout <<"deque"<< endl;
10 
11     }
12 
13 };
14 
15 //根据前一个参数值T，设定下一个参数Sequence的默认值为deque
16 
17 template <class T，claas Sequence= deque>
18 
19 class stack{
20 
21 public:
22 
23     stack(){
24 
25         cout <<"stack"<< end1;
26 
27     }
28 
29  
30 
31 private:
32 
33     Sequence c;
34 
35 };
36 
37 stack<int>x;
38 
39 
40 template <class T,class Alloc=alloc,size_t BufSiz=0>
41 class deque{
42 public: 
43     deque(){
44         cout <<"deque"<<'';
45     }
46 };
47 
48 template <class T，class Sequence>
49 class stack;
50 
51 template <class T，class Sequence>
52 bool operator==(const stack&x，const stack&y);
53 
54 template <class T，class Sequence>
55 bool operator<(const stack&x，const stack&y);
56 
57 
58 template <class T，class Sequence=deque>
59 class stack{
60     //写成这样是可以的
61     friend bool operator==(const stack&，const stack&);
62     friend bool operator< (const stack&，const stack&);
63     //写成这样也是可以的
64     friend bool operator== (const stack&，const stack&);
65     friend bool operator<  (const stack&，const stack&);
66     //写成这样也是可以的
67     friend bool operator==<> (const stack&，const stack&);
68     friend bool operator<<>（const stack&，const stack&);
69     //写成这样就不可以
70     //friend bool operator==(const stack&，const stack&);
71     //friend bool operator<(const stack&，const stack&);
72 public:
73     stack(){cout <<"stack"<<endl；}
74 
75 private:
76     Sequence c;
77 };
78 
79 template <class T, class Sequence>
80 bool operator==(const stack& x, const stack&y){
81     return cout <<"operator=="<<'\t';
82 }
83 template <class T, class Sequence>
84 bool operator<(const stack& x, const stack&y){
85     return cout <<"operator<"<<'\t';
86 } 
87 int main(){
88     stack<int>x;//deque stack
89     stack<int>y;//deque stack 
90     cout <<(x==y)<//operator==1
91     cout <<(x//operator<1
92     
93     stack<char>y1;//deque stack
94     //cout c<(x== y1)<< endl; //error: no match for...
95     //cout <<(x< y1)<< end1;//error: no match for...
96 }

 

deque:

 1 inline sizet _deque_buf_size(size_t n,size_t sz){
 2 
 3     return n!=0?n:(sz<512?size_t(512/sz):size_t(1));
 4 
 5 }
 6 
 7  
 8 
 9 template <class T,class Ref,class Ptr,size_t BufSiz>
10 
11 struct _deque_iterator{
12 
13     typedef _deque_iterator iterator;
14 
15     typedef __deque_iteratorconst T&,const T*,BufSiz>const_iterator;
16 
17  
18 
19     static size_t buffer_size(){
20 
21         return deque_ buf_size(Bufsiz,sizeof(T));
22 
23     }
24 
25 };
26 
27  
28 
29 template <class T,class Alloc=alloc,size_t Buf8iz=0>
30 
31 class deque{
32 
33     typedef deque_iterator iterator;
34 
35 };
36 
37  
38 
39 cout << deque<int>::iterator::buffer_size()<//128
40 
41 cout << deque<int,alloc,64>::iterator::buffer_size()<//64

 

 第二章、空间配置： 

（1）考虑到小型区块所可能造成的内存破碎问题，SGI设计了双层配置器，第一级配置器直接使用malloc和free，第二级配置器则视情况采用不用的策略(需求区块是否大于128bytes)。

 

 

 

 

第一级适配器以malloc()，free()，reaclloc()等C函数执行实际的内存配置、释放、重配置操作。第二级配置器多了一些机制，避免太多小额区块造成内存的碎片。

 

 

 

 

SGI第二级配置器的做法是，如果区块够大，超过128字节时，就移交第一级配置器处理。当区块小于128字节时，则以内存池(memory pool)管理，此法又称为次层配置(sub-allocation)：每次配置一大块内存，并维护对应的自由链表(free-list)。下次若再有相同大小的内存需求，就直接从free-lists中拔出。如果没有，则向系统要一大块内存，然后做切割，此时切割出来的小内存块，不带cookie。如果客户端释放小额区块，就由配置器回收。为方便管理，任何小额区块的内存需求量上调至8的倍数，并维护16个free-lists，各自管理大小分别为8,16,24...128字节。

 

 

 

 

在G4.9中编译器使用的是不作任何优化的空间配置器，如果需要制定，则需要指明第二参数：

vector> vec;

如果free-list中没有可用的区块，将区块大小上调至8的倍数边界，然后调用refill()，准备为free-list重新填充空间。refill()之后介绍。

空间的释放，大于128字节就调用第一级配置器，小于128字节就找出对应的free list，将区块回收。

 

 

 

 

refill()重新填充空间，新的空间将取自内存池(经由chunk_alloc()完成)。内存池实际操练结果如下图：

 

 

 

  

 

 

 

（2）第一级配置器直接调用C函数执行实际的内存操作，并实现类似C++ new handler的机制。

 

（3）当区块超过128bytes时，视之为足够大，便调用第一级配置器。当配置器小于128bytes时，视之为过小，便采用内存池的方式。每次配置一大块内存，并维护对应之自由链表，下次若再有相同大小的内存需求，就直接从free-list中拔出。如果客端释还小额区块，就由配置器回收到free-list中。为了方便管理，SGI第二季配置器会主动将任何小额区块的内存需求量上调至8的倍数（例如客端要求30bytes，就自动调整为32bytes），并维护16个free-list，大小分别是8,16,24,32,40,48,56,64,72,80,88,96,104,112,120,128bytes。

 

（4）内存池

 

如果水量充足，就直接调出20个区块返回给free-list，如果不够20则返回不足实际个数。如果一个都拿不出，则调用malloc配置40个区块的空间，其中20个给free-list，剩下的20个留在内存池。如果malloc分配失败，则调用第一级配置器。因为第一级配置器有new-handler机制，获取能够整理出多余的空间。、

 

（5）内存基本处理工具

uninitialized_copy，uninitialized_fill,uninitialized_fill_n，能够将内存配置与对象构造行为分离开来。并且会对POD（即标量型别或传统C struct）对象采用最有效率的初值填写手法，而对non-POD型别采取最保险安全的做法。

 

为了细化分工，STL allocator将两阶段操作区分开来。内存配置操作由alloc::allocate()负责，内存释放操作由alloc::deallocate()负责；对象构造操作由::construct负责，对象析构操作由::destroy()负责。

 

• 内存池：

当申请空间不充足时，系统首先将剩余的空间尽量为你申请出来

一般新申请的空间大小为你所需求空间大小的2倍加上一个随机配置次数增加愈加增大的附加量

 

 

 

 

 

 

 

 第三章、迭代器概念

STL的中心思想在于：将数据容器（containers）和算法（algorithms）分开，彼此独立设计，最后再以一帖胶着剂将它们撮合在一起。

 

迭代器相应型别：

迭代器相应型别之一：value type：

所谓 value type，是指迭代器所指对象的型别。任何一个打算与STL算法有完美搭配的class，都应该定义自己的vlue type内嵌型别，做法就像上节所述。

 

迭代器相应型别之二：difference type：

difference type用来表示两个迭代器之间的距离，因此它也可以用来表示一个容器的最大容量，因为对于连续空间的容器而言，头尾之间的距离就是其最大容量。

如果一个泛型算法提供计数功能，例如STL的count（），其传回值就必须使用迭代器的diference type：

 

迭代器相应型别之三：reference type

从“迭代器所指之物的内容是否允许改变”的角度观之，迭代器分为两种：

不允许改变“所指对象之内容”者，称为constant iterators，例如 const int *pic；【视为不可改的右值】

 

允许改变“所指对象之内容”者，称为mutable iterators，例如int *pi。当我们对一个mutable iterators进行提领操作时，获得的不应该是一个右值（rvalue），应该是一个左值（lvalue），因为右值不允许赋值操作（assignment），左值才允许：

 

int *pi=new int（5）；

const int *pci=new int（9）；

*pi=7；//对mutable iterator进行提领操作时，获得的应该是个左值，允许赋值

*pci=1；//这个操作不允许，因为pci是个constant iterator，

   //提领pci所得结果，是个右值，不允许被赋值

 

迭代器相应型别之四：pointer type

pointers和references在C++中有非常密切的关联。如果“传回一个左值，令它代表p所指之物”是可能的，那么“传回一个左值，令它代表p所指之物的地址”也一定可以。也就是说，我们能够传回一个pointer，指向迭代器所指之物。

 

迭代器相应型别之五：iterator_category

最后一个（第五个）迭代器的相应型别会引发较大规模的写代码工程。在那之前，我必须先讨论迭代器的分类。

 

根据移动特性与施行操作，迭代器被分为五类：

·Input lterator：这种迭代器所指的对象，不允许外界改变。只读（read only）。

·Output terator：唯写（write only）。

·Forward lterator：允许“写入型”算法（例如replace（））在此种迭代器所形成的区间上进行读写操作。

·Bidirectiona lterator：可双向移动。某些算法需要逆向走访某个迭代器区间（例如逆向拷贝某范围内的元素），可以使用Biairectional lterators。

·Random Access lterator：前四种迭代器都只供应一部分指针算术能力（前三种支持 operator++，第四种再加上operator--），第五种则涵盖所有指针算术能力，包括p+n，p-n，p[n]，pl-p2，p1