[C++ STL] 各容器简单介绍

[C++ STL] 各容器简单介绍

目录

  • 一、什么是STL?
  • 二、容器(Containers)
    • 2.1 vector
    • 2.2 deque
    • 2.3 list
    • 2.4 set
    • 2.5 map
    • 2.6 容器配接器
  • 三、总结

 


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一、什么是STL?

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。

  • 容器(Containers):用来管理某类对象的集合。每一种容器都有其优点和缺点,所以,为了应付程序中的不同需求,STL 准备了七种基本容器类型。
  • 迭代器(Iterators):用来在一个对象集合的元素上进行遍历动作。这个对象集合或许是个容器,或许是容器的一部分。每一种容器都提供了自己的迭代器,而这些迭代器了解该种容器的内部结构。
  • 算法(Algorithms):用来处理对象集合中的元素,比如 Sort,Search,Copy,Erase 那些元素。通过迭代器的协助,我们只需撰写一次算法,就可以将它应用于任意容器之上,这是因为所有容器的迭代器都提供一致的接口。

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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二、容器(Containers)

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:

  • 序列式容器(Sequence containers),此为可序群集,其中每个元素均有固定位置—取决于插入时机和地点,和元素值无关。如果你以追加方式对一个群集插入六个元素,它们的排列次序将和插入次序一致。STL提供了三个序列式容器:向量(vector)、双端队列(deque)、列表(list),此外你也可以把 string 和 array 当做一种序列式容器。
  • 关联式容器(Associative containers),此为已序群集,元素位置取决于特定的排序准则以及元素值,和插入次序无关。如果你将六个元素置入这样的群集中,它们的位置取决于元素值,和插入次序无关。STL提供了四个关联式容器:集合(set)、多重集合(multiset)、映射(map)和多重映射(multimap)。

 

示意图如下图所示:

[C++ STL] 各容器简单介绍_第1张图片


2.1 vector

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

  • 拥有一段连续的内存空间,并且起始地址不变,因此它能非常好的支持随机存取,即 [] 操作符,但由于它的内存空间是连续的,所以在中间进行插入和删除会造成内存块的拷贝,另外,当该数组后的内存空间不够时,需要重新申请一块足够大的内存并进行内存的拷贝。这些都大大影响了 vector 的效率。
  • 对头部和中间进行插入删除元素操作需要移动内存,如果你的元素是结构或类,那么移动的同时还会进行构造和析构操作,所以性能不高。
  • 对最后元素操作最快(在后面插入删除元素最快),此时一般不需要移动内存,只有保留内存不够时才需要。

 

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


2.2 deque

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

  • 按页或块来分配存储器的,每页包含固定数目的元素。
  • deque 是 list 和 vector 的折中方案。兼有 list 的优点,也有vector 随机线性访问效率高的优点。

 

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


2.3 list

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

  • 没有空间预留习惯,所以每分配一个元素都会从内存中分配,每删除一个元素都会释放它占用的内存。
  • 在哪里添加删除元素性能都很高,不需要移动内存,当然也不需要对每个元素都进行构造与析构了,所以常用来做随机插入和删除操作容器。
  • 访问开始和最后两个元素最快,其他元素的访问时间一样。

 

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。


2.4 set

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

  • set 中的元素都是排好序的,集合中没有重复的元素;
  • map 和 set 的插入删除效率比用其他序列容器高,因为对于关联容器来说,不需要做内存拷贝和内存移动。

 

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。


2.5 map

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

  • 自动建立 Key - value 的对应。key 和 value 可以是任意你需要的类型。
  • 根据 key 值快速查找记录,查找的复杂度基本是 O(logN),如果有 1000 个记录,二分查找最多查找 10次(1024)。
  • 增加和删除节点对迭代器的影响很小,除了那个操作节点,对其他的节点都没有什么影响。
  • 对于迭代器来说,可以修改实值,而不能修改 key。

 

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 
#include 

using namespace std;

int main(int argc, char* argv[])
{
	map mapTemp;

	mapTemp.insert({ 5,"张三" });
	mapTemp.insert({ 3, "李四"});
	mapTemp.insert({ 4, "隔壁老王" });

	map::iterator it;
	for (it = mapTemp.begin(); it != mapTemp.end(); it++)
	{
		printf("学号:%d 姓名:%s\n", (*it).first, (*it).second.c_str());
	}

	return 0;
}

/*
输出结果:
学号:3 姓名:李四
学号:4 姓名:隔壁老王
学号:5 姓名:张三
*/

 

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。


2.6 容器配接器

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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三、总结

各容器的特点总结

  • vector 头部与中间插入和删除效率较低,在尾部插入和删除效率高,支持随机访问。
  • deque 是在头部和尾部插入和删除效率较高,支持随机访问,但效率没有 vector 高。
  • list 在任意位置的插入和删除效率都较高,但不支持随机访问。
  • set 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,且插入和删除效率比用其他序列容器高。
  • map 可以自动建立 Key - value 的对应,key 和 value 可以是任意你需要的类型,根据 key 快速查找记录。

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

  • vector 在头部和中间位置插入和删除的时间复杂度为 O(N),在尾部插入和删除的时间复杂度为 O(1),查找的时间复杂度为 O(1);
  • deque 在中间位置插入和删除的时间复杂度为 O(N),在头部和尾部插入和删除的时间复杂度为 O(1),查找的时间复杂度为 O(1);
  • list 在任意位置插入和删除的时间复杂度都为 O(1),查找的时间复杂度为 O(N);
  • set 和 map 都是通过红黑树实现,因此插入、删除和查找操作的时间复杂度都是 O(log N)。

 

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

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