STL介绍以及其底层实现？包括vector, map, list

1 介绍一下STL？

STL，Standard Template Library，即标准模板库。包括如下六个组件：

它们之间的关系是：分配器给容器分配存储空间，算法通过迭代器获取容器中的内容，仿函数可以协助算法完成各种操作，配接器用来套接适配仿函数。

1） 容器

容器就是我们常见的各种数据结构，例如关联式容器：map, set, multimap，非关联式容器：vector, list, deque。这些数据结构主要是用于存放数据，STL是一种class temple。

• array 是固定大小的顺序容器，它们保存了一个以严格的线性顺序排列的特定数量的元素。
• vector
  • 是表示可以改变大小的数组的序列容器
  • 底层数据结构为数组，支持快速随机访问
• deque（双端队列）是具有动态大小的序列容器，可以在两端扩展或收缩
• forward_list（单向链表）是序列容器，允许在序列中的任何地方进行恒定的时间插入和擦除操作。
• list
  • 是序列容器，允许在序列中的任何地方进行常数时间插入和擦除操作，并在两个方向上进行迭代
  • 底层数据结构为双向链表，支持快速增删，不支持随机访问
  • 无序、可重复
• stack 是一种容器适配器，用于在LIFO（后进先出）的操作，其中元素仅从容器的一端插入和提取。
• queue 是一种容器适配器，用于在FIFO（先入先出）的操作，其中元素插入到容器的一端并从另一端提取。
• map
  • 是关联容器，按照特定顺序存储由 key value (键值) 和 mapped value (映射值) 组合形成的元素。
  • 底层数据结构为红黑树
  • 有序，不可重复
  • 查找的时间复杂度为O(logn)

2）算法

STL常见的算法有sort, search, copy, erase, for_search, unique，从实现角度来看，STL算法是一种function template。

3）迭代器

是作为容器和算法之间的一种胶合剂，是所谓的“泛型指针”，共有5种类型，以及其他衍生变化。从实现角度来看，迭代器是一种将operate*，operate->,operate++，operate–等指针相关操作予以重载的class template。

4）仿函数

行为类似函数，可作为算法的某种策略。从实现角度来看，仿函数是一种重载了operate()的class，或class template，一般函数指针可视为狭义的仿函数。

5）配接器

一种用来修饰容器，仿函数，迭代器接口的东西，STL提供的queue和stack，虽然看似容器，其实只能算是一种容器适配器，因为他们的底层全部借由其他容器供应。改变functor接口者，称之为function adapter；改变container接口者，称之为container adapter，改变iterator接口者，称之为container adapter。

6）配置器

主要负责空间配置与管理，从实现角度来看，配置器是一种实现了动态空间配置，空间管理，空间释放的class template。

2 STL如何实现vector、list、map的底层机制？

1）vector

• 使用动态数组的方式实现的，里面有一个指针指向一片连续的内存空间。
• 如果动态内存的数组空间不够，就要动态地重新分配内存，一般是当前大小的两倍，然后把原数组的内容拷贝过去，接着释放原来的空间。
• 所以在一般情况下，其访问速度同一般数组，只有在重新分配内存发生时，其性能才会下降。
• vector的size()表示数组中元素个数有多少，capacity()表示数组有多大容量。

为什么vector的插入操作可能导致迭代器失效？

因为vector动态增加大小时，并不是在原空间后增加新的空间，而是以原大小的两倍在另外配置一片较大的新空间，然后将内容拷贝过来，并释放原来的空间。由于操作改变了空间，所以迭代器失效。

2）list

• 用双向链表来实现的，是一种物理存储单元上非连续、非顺序的存储结构。
• 以结点为单位存放数据，结点的地址在内存中不一定连续，每次插入或删除一个元素，就配置或释放一个元素空间。

3）map

• map以红黑树为底层机制。红黑树是一种二叉平衡搜索树，自动排序效果不错。

3 vector和list的区别

1. vector底层实现是数组；list是双向链表。
2. vector支持随机访问，list不支持。
3. vector是顺序存储，list不是。
4. vector一次性分配好内存，不够时才进行2倍扩容；list每次插入新节点都会进行内存申请。
5. vector随机访问性能好，插入删除性能差；list随机访问性能差，插入删除性能好。

vector插入删除和list有什么区别？

• vector插入和删除数据，需要对现有数据进行复制移动。（因为其底层实现是数组，存放的数据是连续的内存地址）如果vector存储的对象很大，或者析构函数很复杂，则开销较大。如果是简单的小数据，效率优于list。
  • 时间复杂度为O(n)
• list插入和删除数据，需要对现有数据进行遍历（因为其底层实现是链表），但在首部插入数据，效率很高。
  • 时间复杂度为O(n)