C++STL的容器的底层实现详解
文章目录
- 顺序容器
- vector(向量容器)
- deque(双端队列)
- list
- 关联容器
- set（集合）
- multiset
- map（key,value）
- multimap
顺序容器
vector(向量容器)
- 特点
- 内存可2倍增长的动态数组
- 数据结构：线性连续空间
- 维护三个迭代器：start、finish、end_of_storage
注意：动态增加大小，并不是在原空间之后接续新空间（因为无法保证之后尚有可供分配的空间），而是每次再分配原大小两倍的内存空间。因此，对vector的任何操作，一旦引起空间重新配置，指向原vector的所有迭代器就都失效了。
- 成员函数
| 函数 | 作用 |
|---|---|
| assign(first,last) | 用迭代器first,last所指定的元素取代容器中的元素 |
| assign(num,val) | 用val的num份副本取代2元素 |
| at(n) | 等价于[]运算符，返回容器中位置n的元素 |
| front() | 返回容器中第一个元素的引用 |
| back() | 返回容器中最后一个元素的引用 |
| begin() | 返回容器中第一个元素的迭代器 |
| end() | 返回容器中最后一个元素的下一个迭代器(不可解引用) |
| max_size() | 返回容器类型的最大容量（2^30-1=0x3FFFFFFF） |
| capacity() | 返回容器当前开辟的空间大小 |
| size() | 返回容器中现有元素的个数（<=capacity） |
| clear() | 清空容器中所有元素 |
| empty() | 如果容器为空，返回真 |
| erase(start,end) | 删除迭代器[start ,end)所指定范围内的元素 |
| erase(i) | 删除迭代器i所指向的元素,返回指向删除元素下一位置的迭代器 |
| insert(i,x) | 把x插入到迭代器i所指定的位置之前 |
| insert(i,n,x) | 把x的n份副本插入到迭代器i所指定的位置之前 |
| insert(i,start,end) | 在i位置插入在[start,end)区间的数据,无返回值。 |
| push_back(x) | 尾插 |
| op_back() | 删除容器最后一个元素 |
| rbegin() | 返回一个反向迭代器，该迭代器指向的元素越过了容器中的最后一个元素 |
| rend() | 返回一个反向迭代器，该迭代器指向容器中第一个元素 |
| reverse() | 反转元素顺序 |
| resize(n,x) | 把容器的大小改为n,新元素的初值赋为x |
| swap(vector1) | 交换2个容器的内容 |
deque(双端队列)
-
特点
-
数据结构：一种双向开口的存储空间分段连续的数据结构，每段数据空间内部是连续的，而每段数据空间之间则不一定连续
-
deque与vector的最大差异 :
1.允许常数时间内对起首端进行元素的插入和删除
2.deque没有所谓的容量概念，因为它是以分段连续空间组合而成，随时可以增加一段新的空间并连接起来
上图deque有四部分数据空间，这些空间都是程序运行过程中在堆上动态分配的。
中控器（map）保存着一组指针，每个指针指向一段数据空间的起始位置，通过中控器可以找到所有的数据空间。如果中控器的数据空间满了，会重新申请一块更大的空间，并将中控器的所有指针拷贝到新空间中。 -
deque采用一块所谓的map（注意，不是STL的map容器）作为主控。这里所谓map是一小块连续空间，其中每个元素（此处称为一个节点，node）都是指针，指向另一段（较大的）连续线性空间，称为缓冲区。缓冲区才是deque的储存空间主体
-
deque 的迭代器
deque的迭代器由四个属性组成，这四个属性是我们随机访问一个容器内元素的必要成分。
1.node用于指向的“第一维”的某个位置，该位置对应要访问元素的入口地址
2.剩下的三个属性则用于“第二维”，[first,last)规定了访问本区间元素的边界条件，而curr则指向实际我们要访问的元素。
1.start迭代器:绑定到第一个有效的map结点和该结点对应的缓冲区。
2.finish迭代器:绑定到最后一个有效的map结点和该结点对应的缓冲区。
举例：
假设deque中存储20个元素，每个缓冲区大小为8，则需要20/8=3个缓冲区，所以map中会运用3个节点。deque的begin()和end()始终会返回map中节点的头和尾，名为start和finish，其中，start的cur指向第一个缓冲区中的首元素，finish的cur指向最后一个缓冲区的最后一个元素的下一位置。
- deque缓冲区扩充
注意：从上图来看，如果无穷尽的向deque中存储数据，map所含有的缓冲区也会填满的。也就是说，当map的前端节点或后端节点备用空间不足时，map也需要重新配置，依然是经过三个步骤：配置更大的、拷贝原来的、释放原空间。
- 成员函数
| 函数 | 作用 |
|---|---|
| c.assign(beg,end) | 将[beg; end)区间中的数据赋值给c。 |
| c.assign(n,elem) | 将n个elem的拷贝赋值给c。 |
| c.at(idx) | 传回索引idx所指的数据，如果idx越界，抛出out_of_range。 |
| c.back() | 返回最后一个数据，不检查这个数据是否存在。 |
| c.begin() | 返回迭代器的第一个数据。 |
| c.clear() | 移除容器中所有数据。 |
| deque | 创建一个空的deque。 |
| deque c1(c2) | c复制一个deque。 |
| deque c(n) | 创建一个deque，含有n个数据，数据均已缺省构造产生。 |
| deque c(n, elem) | 创建一个含有n个elem拷贝的deque。 |
| deque c(beg,end) | 创建一个以[beg;end)区间的deque。 |
| c.~deque() | 销毁所有数据，释放内存。 |
| c.empty() | 判断容器是否为空。 |
| c.end() | 指向迭代器中的最后一个数据地址。 |
| c.erase(pos) | 删除pos位置的数据，返回下一个数据的位置。 |
| c.erase(beg,end) | 删除[beg,end)区间的数据，返回下一个数据的位置。 |
| c.front() | 返回容器的第一个元素。 |
| get_allocator | 使用构造函数返回一个拷贝。 |
| c.insert(pos,elem) | 在pos位置插入一个elem拷贝，传回新数据位置。 |
| c.insert(pos,n,elem) | 在pos位置插入>n个elem数据。无返回值。 |
| c.insert(pos,beg,end) | 在pos位置插入在[beg,end)区间的数据。无返回值。 |
| c.max_size() | 返回容器中最大数据的数量。 |
| c.pop_back() | 删除最后一个数据。 |
| c.pop_front() | 删除头部数据。 |
| c.push_back(elem) | 在尾部加入一个数据。 |
| c.push_front(elem) | 在头部插入一个数据。 |
| c.rbegin() | 传回一个反向队列的第一个数据。 |
| c.rend() | 传回一个反向队列的最后一个数据的下一个位置。 |
| c.resize(num) | 重新指定队列的长度。 |
| c.size() | 返回容器中实际数据的个数。 |
| c1.swap(c2) | 将c1和c2元素互换 |
| swap(c1,c2) | 将c1和c2元素互换。 |
list
-
特点
-
有效利用空间
-
数据结构：环状双向链表
-
插入(insert)和接合(splice)操作都不会造成原来list的迭代器失效
-
删除（erase）操作仅仅使“指向被删除元素”的迭代器失效，其它迭代器不受影响
-
随机访问比较慢
插入一个结点
- 成员函数
| 函数 | 作用 |
|---|---|
| assign() | 给list赋值 |
| back() | 返回最后一个元素 |
| begin() | 返回指向第一个元素的迭代器 |
| clear() | 删除所有元素 |
| empty() | 如果list是空的则返回true |
| end() | 返回末尾的迭代器 |
| erase() | 删除一个元素 |
| front() | 返回第一个元素 |
| get_allocator() | 返回list的配置器 |
| insert() | 插入一个元素到list中 |
| max_size(） | 返回list能容纳的最大元素数量 |
| merge() | 合并两个list |
| pop_back() | 删除最后一个元素 |
| pop_front() | 删除第一个元素 |
| push_back() | 在list的末尾添加一个元素 |
| push_front() | 在list的头部添加一个元素 |
| rbegin() | 返回指向第一个元素的逆向迭代器 |
| remove() | 从list删除元素 |
| remove_if() | 按指定条件删除元素 |
| rend() | 指向list末尾的逆向迭代器 |
| resize() | 改变list的大小 |
| reverse() | 把list的元素逆序 |
| size() | 返回list中的元素个数 |
| sort() | 给list排序 |
| splice() | 合并两个list |
| swap() | 交换两个list |
| unique() | 删除list中重复的元素 |
关联容器
set（集合）
- 特点
- 数据结构：底层使用平衡的搜索树——红黑树实现
- 插入删除操作时仅仅需要指针操作节点即可完成，不涉及到内存移动和拷贝
- set中元素都是唯一的，而且默认情况下会对元素自动进行升序排列
- 支持集合的交(set_intersection),差(set_difference) 并(set_union)，对称差 (set_symmetric_difference) 等一些集合上的操作
- 成员函数
| 函数 | 作用 |
|---|---|
| begin() | 返回容器的第一个迭代器 |
| end() | 返回容器的最后元素的下一个迭代器 |
| clear() | 删除容器中的所有元素 |
| empty() | 判断容器是否为空 |
| insert() | 插入一个元素 |
| erase() | 删除一个元素 |
| size() | 返回当前容器的元素个数 |
| rbegin() | 返回尾元素的逆向迭代器指针 |
| reverse_iterator rend() | 返回首元素前一个位置的迭代器指针 |
| find() | 查找一个元素，不存在返回s.end() |
| lower_bound() | 返回第一个大于或等于给定关键值的元素 |
| upper_bound() | 返回第一个大于给定关键值的元素 |
| swap() | 交换两个集合元素 |
注意：
- set内部元素也是以键值对的方式存储的，只不过它的键值与实值相同
- set中不允许存放两个实值相同的元素
- 迭代器是被定义成const iterator的，说明set的键值是不允许更改的，并且不允许通过迭代器进行修改set里面的值
multiset
- 特点
- 数据结构：底层实现与set一样，也采用了红黑树
- 允许插入重复的键值，使用insert_equal机制
- 插入、删除操作的时间复杂度为O(log2n)
- 成员函数用法同set
map（key,value）
-
特点
-
map中key的值是唯一的
-
数据结构：红黑树变体的平衡二叉树数据结构
-
提供基于key的快速检索能力
-
元素插入是按照排序规则插入的，不能指定位置插入
-
对于迭代器来说，可以修改实值，而不能修改key。
-
根据key值快速查找,查找的复杂度基本是log2n
-
成员函数
| 函数 | 作用 |
|---|---|
| begin() | 返回指向map头部的迭代器 |
| clear() | 删除所有的元素 |
| count() | 返回指定元素出现的次数 |
| empty() | 判断容器是否为空 |
| end() | 返回指向map末尾的迭代器 |
| get_allocator() | 返回map的配置器 |
| insert() | 添加元素 |
| lower_bound() | 返回键值>=给定元素的第一个位置 |
| upper_bound() | 返回>给定元素的第一个元素 |
| max_size() | 返回可以容纳的最大元素个数 |
| rbegin() | 返回一个指向map尾部的逆向迭代器 |
| rend() | 返回一个指向map头部的逆向迭代器 |
| find(k) | 返回指向第一个与键 k 匹配的 pair 的迭代指针，没找到返回指向map尾部的迭代器 |
| erase() | 删除迭代器所指向的元素 |
| swap() | 两个容器交换 |
| size() | 返回map中元素的个数 |
注意：
map在进行插入的时候是不允许有重复的键值的，如果新插入的键值与原有的键值重复则插入无效，可以通过insert的返回的pair中第二个bool型变量来判断是否插入成功来判断是否成功插入.
pair insert(const value_type& x)
举例：
#include<iostream>
#include<map>
using namespace std;
int main()
{
map<int, int> m;
m.insert(pair<int, int>(1, 10));
pair<map<int, int>::iterator, bool> ret;
ret = m.insert(pair<int, int>(1, 20));
if (ret.second)
{
cout << "成功" << endl;
}
else
{
cout << "失败" << endl;
}
return 0;
}
multimap
- 特点
- 与 map 不同，multimap 可以包含重复键
比如：
1.在电话簿中相同的人可以有两个以上电话号码
2.文件系统中可以将多个符号链接映射到相同的物理文件
3.DNS服务器可以将几个URL映射到相同的IP地址
- 成员函数
| 函数 | 作用 |
|---|---|
| begin() | 返回指向第一个元素的迭代器 |
| clear() | 删除所有元素 |
| count() | 返回一个元素出现的次数 |
| empty() | 如果multimap为空则返回真 |
| end() | 返回一个指向multimap末尾的迭代器 |
| equal_range(k) | 该函数查找所有与 k 关联的值。返回迭代指针的 pair，它标记开始和结束范围 |
| erase() | 删除元素 |
| find() | 查找元素 |
| get_allocator() | 返回multimap的配置器 |
| insert() | 插入元素 |
| key_comp() | 返回比较key的函数 |
| lower_bound() | 返回键值>=给定元素的第一个位置 |
| max_size() | 返回可以容纳的最大元素个数 |
| rbegin() | 返回一个指向mulitmap尾部的逆向迭代器 |
| rend() | 返回一个指向multimap头部的逆向迭代器 |
| size() | 返回multimap中元素的个数 |
| swap() | 交换两个multimaps |
| upper_bound() | 返回键值>给定元素的第一个位置 |
| value_comp() | 返回比较元素value的函数 |
equal_range()函数应用举例：
#include<iostream>
#include<map>
using namespace std;
int main()
{
multimap<int, int> m;
m.insert(pair<int,int>(1, 10));
m.insert(pair<int, int>(1, 20));
m.insert(pair<int, int>(1, 30));
m.insert(pair<int, int>(2, 21));
m.insert(pair<int, int>(2, 22));
m.insert(pair<int, int>(3, 31));
m.insert(pair<int, int>(3, 32));
multimap<int, int>::iterator it;
pair<multimap<int, int>::iterator, multimap<int, int>::iterator> ret;
for (it = m.begin(); it != m.end(); )
{
cout << it->first << "==>";
ret = m.equal_range(it->first);
for (it = ret.first; it != ret.second; ++it)
{
cout << " " << (*it).second;
}
cout << endl;
}
cout << m.count(1) << endl;//与键1关联的值的数量
return 0;
}
注意:
- multimap::insert() 和 map::insert() 的返回值不同。
- multimap::insert():返回指向新插入元素的迭代器（multimap::insert()总是能执行成功）
- map::insert() :返回 pair