【STL】STL之顺序容器和关联容器总结

顺序容器

         Vector中所采用的数据结构非常简单：线性连续空间。当分配空间被占满而仍然需要添加元素时，vector便会进行一场空间重新配置的大工程！在这里，程序员需要注意的是，一旦引起空间重新配置，之前指向原vector的所有迭代器就都失效了，这一点在工程中容易引起bug。

         List则对空间的运用有绝对的精准，一点也不浪费。注意，list内部构成的实际是一个环状的双向链表！所以只需要一个指针，便可以完整地表现整个链表。

         Deque相比于vector而言，它没有容量的概念，因为deque是动态地以分段连续空间组合而成，随时都可以增加一段新的空间并链接起来。为了使得deque在逻辑上看起来是连续空间，在STL内部实现实际是使用了一块map(不是STL中的map容器)作为主控，map是一小块连续空间，其中每个元素都是指针，指向另一段较大的连续线性空间，称为缓冲区，这些缓冲区才是真正存放deque元素的主体。

         Stack在缺省的情况下是使用deque作为底部结构，只需要封闭deque一端的操作即可，也可以指定其他的容器作为底部结构，例如list。

         同样，queue也是基于deque实现。

         Slist则是一个单向链表，没有push_back，只有push_front和pop_front。

         此外，还有heap和priority_queue，已经在其他文章有说明。

 

关联式容器

与之前的顺序容器有别的是，关联容器在存储时是以关键字key为下标进行存储的，标准的STL关联容器分为set和map两大类，之后的衍生版本有multiset和multimap，它们的区别是在存储时是否容许出现关键字key相同的情况。这些容器的底层机制均以RB-tree(红黑树)完成。此外，SGI STL还提供了一个不在标准规格之列的关联式容器：hash table，以及基于hash table而完成的hash_set和hash_map。但在C++11中，因为标准化的推进，unordered_map原来属于boost分支和std::tr1中，而hash_map属于非标准容器。尽量使用unordered_，代替hash_，二者在底层上实现机理是一样的

 

1.     Set，map

一般来说，关联式容器的内部结构是一个平衡二叉树，以便获得良好的搜寻效率，平衡二叉树有很多种类型，包括AVL-tree，RB-tree等，最被广泛使用的是RB-tree。

(1)   搜索二叉树，因为它的查找平均性能是O(lgN)，因此查询中多用这种结构，但如果建立搜索二叉树的时候数据不够随机，可能会导致这棵二叉树出现“左重右轻“之类的失衡情况，这个时候平衡二叉树便体现出它的作用了。5

(2)   所谓的树形平衡与否，并没有一个绝对的测量标准，大致意义是没有任何一个节点过深。AVL树中定义是任何节点的左右子树高度相差最多为1，在插入新的元素的时候，可能会导致这棵AVL树失去平衡，这个时候就需要用到”单旋转”和“双旋转”两种操作来调节AVL树使之重新平衡。

(3)   RB-tree是另一种二叉平衡树，它对“平衡”的定义更弱，它的规则如下：

A． 每个节点不是红色就是黑色

B． 根节点为黑色

C． 如果节点为红色，那么它的子节点必须为黑色

D． 任一节点至NULL的任何路径中，所含的黑色节点数必须相同

所以对于RB-tree的插入和删除是一个很复杂的过程，其中，插入有3中情况，删除有4中情况，但是它能很好地保证查询的效率，通常来说，比其他的平衡二叉树提高25%。

在RB-tree中，有两个函数很重要，一个是pairinsert_unique(const Value_type &x)，这个是将x插入到红黑树中，并且保持节点的独一无二(通常来说，如果使用insert函数在map插入新的元素，如果是重复元素，则不会真正插入，而是直接返回)，返回值是一个pair类型，bool标志插入是否成功，iterator根据插入是否成功则指向新插入的节点或者NULL，另外一个是pair insert_equal(constValue_type &x)，这个函数再插入节点时允许节点关键字key重复，这便是multiset和multimap实现的关键了，这也是它们和set及map最大的区别了。

       了解了红黑树的基本操作之后，就可以很自然地知道set和map的实现原理了，基本上set和map中的函数在RB-tree中均有实现，因此set和map只需要调用即可。值得注意的一个问题是，在关联容器中应该使用关联容器自身实现的find进行查找，因为它是充分利用了平衡二叉树的特性的，查找效率高，而普通的STL中的find算法则是循序查找。

 

2.     Hash_set，hash_map

二叉搜索树具有对数平均时间的表现，但这样的表构建在一个假设之：输入数据足够随机。除此之外，还有另外一种数据结构，它在插入、删除、搜寻等操作上也具有常数平均时间，而且这种表现是以统计为基础，不需要依赖元素的随机性，它就是hash table。

哈希表在处理冲突时有线性探测，二次探测以及开链等方式，SGI则是采用开链的方式，即将冲突的元素构成一个链表，在SGI提供的hashtable中表格内的元素为桶子(bucket)，它是用vector来承载元素。

虽然在开链法中并不要求表格大小必须为质数，但是SGI STL仍然以质数来设计表格，它是将预先选取的28个质数保存在表中，当用户要求分配多少个桶时，则返回不小于且最接近的一个质数作为表格大小。

       Hash_set和hash_map同样只需要调用hashtable中的函数即可。由于现在经常使用unordered_系列代替了hash_，所以对于hash_的具体用法就不赘述了。