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1、STL(Standard Template Library),即标准模板库,是一个高效的C++程序库,包含了诸多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。
2、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)。在这种思想里,大部分基本算法被抽象,被泛化,独立于与之对应的数据结构,用于以相同或相近的方式处理各种不同情形。
3、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,基于模板(template)。
STL有六大组件,但主要包含容器、迭代器和算法三个部分。
STL 的基本观念就是将数据和操作分离。数据由容器进行管理,操作则由算法进行,而迭代器在两者之间充当粘合剂,使任何算法都可以和任何容器交互运作。这一篇博客暂时只介绍容器,下一篇介绍迭代器。
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容器用来管理某类对象。为了应付程序中的不同需求,STL 准备了两类共七种基本容器类型:
示意图如下图所示:
vector(向量): 是一种序列式容器,事实上和数组差不多,但它比数组更优越。一般来说数组不能动态拓展,因此在程序运行的时候不是浪费内存,就是造成越界。而 vector 正好弥补了这个缺陷,它的特征是相当于可拓展的数组(动态数组),它的随机访问快,在中间插入和删除慢,但在末端插入和删除快。
特点
优缺点和适用场景
优点:支持随机访问,即 [] 操作和 .at(),所以查询效率高。 缺点:当向其头部或中部插入或删除元素时,为了保持原本的相对次序,插入或删除点之后的所有元素都必须移动,所以插入的效率比较低。 适用场景:适用于对象简单,变化较小,并且频繁随机访问的场景。 |
例子
以下例子针对整型定义了一个 vector,插入 6 个元素,然后打印所有元素:
#include
#include
using namespace std;
int main(int argc, char* argv[])
{
vector vecTemp;
for (int i = 0; i<6; i++)
vecTemp.push_back(i);
for (int i = 0; i
deque(double-ended queue)是由一段一段的定量连续空间构成。一旦要在 deque 的前端和尾端增加新空间,便配置一段定量连续空间,串在整个 deque 的头端或尾端。因此不论在尾部或头部安插元素都十分迅速。 在中间部分安插元素则比较费时,因为必须移动其它元素。deque 的最大任务就是在这些分段的连续空间上,维护其整体连续的假象,并提供随机存取的接口。
特点
优缺点和适用场景
优点:支持随机访问,即 [] 操作和 .at(),所以查询效率高;可在双端进行 pop,push。 缺点:不适合中间插入删除操作;占用内存多。 适用场景:适用于既要频繁随机存取,又要关心两端数据的插入与删除的场景。 |
例子
以下例子声明了一个浮点类型的 deque,并在容器尾部插入 6 个元素,最后打印出所有元素。
#include
#include
using namespace std;
int main(int argc, char* argv[])
{
deque dequeTemp;
for (int i = 0; i<6; i++)
dequeTemp.push_back(i);
for (int i = 0; i
List 由双向链表(doubly linked list)实现而成,元素也存放在堆中,每个元素都是放在一块内存中,他的内存空间可以是不连续的,通过指针来进行数据的访问,这个特点使得它的随机存取变得非常没有效率,因此它没有提供 [] 操作符的重载。但是由于链表的特点,它可以很有效率的支持任意地方的插入和删除操作。
特点
优缺点和适用场景
优点:内存不连续,动态操作,可在任意位置插入或删除且效率高。 缺点:不支持随机访问。 适用场景:适用于经常进行插入和删除操作并且不经常随机访问的场景。 |
例子
以下例子产生一个空 list,准备放置字符,然后将 'a' 至 'z' 的所有字符插入其中,利用循环每次打印并移除集合的第一个元素,从而打印出所有元素:
#include
#include
using namespace std;
int main(int argc, char* argv[])
{
list listTemp;
for (char c = 'a'; c <= 'z'; ++c)
listTemp.push_back(c);
while (!listTemp.empty())
{
cout <
成员函数empty()
的返回值告诉我们容器中是否还有元素,只要这个函数返回 false,循环就继续进行。循环之内,成员函数front()
会返回第一个元素,pop_front()
函数会删除第一个元素。
注意:list<指针> 完全是性能最低的做法,还不如直接使用 list<对象> 或使用 vector<指针> 好,因为指针没有构造与析构,也不占用很大内存。
set(集合)由红黑树实现,其内部元素依据其值自动排序,每个元素值只能出现一次,不允许重复。
特点
优缺点和适用场景
优点:使用平衡二叉树实现,便于元素查找,且保持了元素的唯一性,以及能自动排序。 缺点:每次插入值的时候,都需要调整红黑树,效率有一定影响。 适用场景:适用于经常查找一个元素是否在某群集中且需要排序的场景。 |
例子
下面的例子演示 set(集合)的两个特点:
#include
#include
using namespace std;
int main(int argc, char* argv[])
{
set setTemp;
setTemp.insert(3);
setTemp.insert(1);
setTemp.insert(2);
setTemp.insert(1);
set::iterator it;
for (it = setTemp.begin(); it != setTemp.end(); it++)
{
cout << *it << " ";
}
return 0;
}
输出结果:1 2 3。一共插入了 4 个数,但是集合中只有 3 个数并且是有序的,可见之前说过的 set 集合的两个特点,有序和不重复。
当 set 集合中的元素为结构体时,该结构体必须实现运算符 ‘<’ 的重载:
#include
#include
#include
using namespace std;
struct People
{
string name;
int age;
bool operator <(const People p) const
{
return age < p.age;
}
};
int main(int argc, char* argv[])
{
set setTemp;
setTemp.insert({"张三",14});
setTemp.insert({ "李四", 16 });
setTemp.insert({ "隔壁老王", 10 });
set::iterator it;
for (it = setTemp.begin(); it != setTemp.end(); it++)
{
printf("姓名:%s 年龄:%d\n", (*it).name.c_str(), (*it).age);
}
return 0;
}
/*
输出结果
姓名:王二麻子 年龄:10
姓名:张三 年龄:14
姓名:李四 年龄:16
*/
可以看到结果是按照年龄由小到大的顺序排列。另外 string 要使用c_str()
转换一下,否则打印出的是乱码。
另外 Multiset 和 set 相同,只不过它允许重复元素,也就是说 multiset 可包括多个数值相同的元素。这里不再做过多介绍。
map 由红黑树实现,其元素都是 “键值/实值” 所形成的一个对组(key/value pairs)。每个元素有一个键,是排序准则的基础。每一个键只能出现一次,不允许重复。
map 主要用于资料一对一映射的情况,map 内部自建一颗红黑树,这颗树具有对数据自动排序的功能,所以在 map 内部所有的数据都是有序的。比如一个班级中,每个学生的学号跟他的姓名就存在着一对一映射的关系。
特点
优缺点和适用场景
优点:使用平衡二叉树实现,便于元素查找,且能把一个值映射成另一个值,可以创建字典。 缺点:每次插入值的时候,都需要调整红黑树,效率有一定影响。 适用场景:适用于需要存储一个数据字典,并要求方便地根据key找value的场景。 |
例子
#include "stdafx.h"
#include
#include
multimap 和 map 相同,但允许重复元素,也就是说 multimap 可包含多个键值(key)相同的元素。这里不再做过多介绍。
除了以上七个基本容器类别,为满足特殊需求,STL还提供了一些特别的(并且预先定义好的)容器配接器,根据基本容器类别实现而成。包括:
1、stack
名字说明了一切,stack 容器对元素采取 LIFO(后进先出)的管理策略。
2、queue
queue 容器对元素采取 FIFO(先进先出)的管理策略。也就是说,它是个普通的缓冲区(buffer)。
3、priority_queue
priority_queue 容器中的元素可以拥有不同的优先权。所谓优先权,乃是基于程序员提供的排序准则(缺省使用 operators)而定义。Priority queue 的效果相当于这样一个 buffer:“下一元素永远是queue中优先级最高的元素”。如果同时有多个元素具备最髙优先权,则其次序无明确定义。
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各容器的特点总结
在实际使用过程中,到底选择这几种容器中的哪一个,应该根据遵循以下原则:
1、如果需要高效的随机存取,不在乎插入和删除的效率,使用 vector。 2、如果需要大量的插入和删除元素,不关心随机存取的效率,使用 list。 3、如果需要随机存取,并且关心两端数据的插入和删除效率,使用 deque。 4、如果打算存储数据字典,并且要求方便地根据 key 找到 value,一对一的情况使用 map,一对多的情况使用 multimap。 5、如果打算查找一个元素是否存在于某集合中,唯一存在的情况使用 set,不唯一存在的情况使用 multiset。 |
各容器的时间复杂度分析
各容器的共性
各容器一般来说都有下列函数:默认构造函数、复制构造函数、析构函数、empty()、max_size()、size()、operator=、operator<、operator<=、operator>、operator>=、operator==、operator!=、swap()。
顺序容器和关联容器都共有下列函数:
begin()
:返回容器第一个元素的迭代器指针;end()
:返回容器最后一个元素后面一位的迭代器指针;rbegin()
:返回一个逆向迭代器指针,指向容器最后一个元素;rend()
:返回一个逆向迭代器指针,指向容器首个元素前面一位;clear()
:删除容器中的所有的元素;erase(it)
:删除迭代器指针it处元素。
参考:
《C++标准库 - 侯捷》中的 5.2 节-容器