STL容器简介

1、STL简介   

2、STL中的容器及底层实现： 

3、STL容器的公用函数：

下一篇：STL容器之vector、list

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1、STL简介   

    STL提供六大组件，彼此可以组合套用：
  （1）容器：容器用来存放数据，从实现的角度看，STL容器是一种类模板，包括vector、list、deque、set、map等。
  （2）算法：STL算法是一种函数模板，各种常用的算法如sort、search、copy、erase等。
  （3）迭代器：扮演容器与算法之间的胶合剂，是所谓的“泛型指针”，共有五种类型，以及其它衍生变化。从实现的角度看，迭代器是一种将operator*、operator->、operator++、operator--等指针相关操作予以重载的类模板，所有STL容器都附带有自己专属的迭代器。
  （4）仿函数：行为类似函数，可以作为算法的某种策略。从实现的角度看，仿函数是一种重载了operator()的类或者类模板。
  （5）适配器：一种用来修饰容器或仿函数或迭代器接口的东西。例如stack和queue，虽然看似容器，但是只能算一种容器适配器，因为它们的底层完全借助deque或list，所有的操作都由底层的deque或list供应。
  （6）分配器：负责空间配置和管理，从实现的角度讲，配置器是一个实现了动态空间配置、空间管理、空间释放的类模板。通常，分配器是由两级分配器构成的内存管理器，当申请的内存大于128B时，就启用第一级分配器通过malloc直接向系统的堆空间分配，如果申请的内存小于128B时，就启用第二级分配器，从一个预先定义好的内存池取一块内存交付给用户，这个内存池由16个不同大小（8~128B）空闲列表组成，分配器会根据申请内存的大小（将这个大小round up成8的倍数）从对应的空闲列表取表头块给用户。这种做法有两个优点：1）小对象快速分配，小对象从内存池分配；2）小对象从内存池分配，避免了内部碎片的产生。    

    六大组件关系：容器（containers）通过分配器（allocators）取得数据储存空间，算法（algorithms）通过迭代器（iterators）存取容器的内容，仿函数（functors）可以协助算法完成不同的策略变化，适配器（adapters）可以修饰或套接仿函数。

2、STL中的容器及底层实现：

  （1）静态数组array：

• array是在C语言的数组上封装了一个class，它比C语言的数组安全，它支持快速随机访问，有着固定大小，因此无法增加或者移除元素而改变其大小，它只允许你替换元素值。此外，array不支持（也就是不允许你指定）分配器。

  （2）动态数组vector：

• vector的数据安排和操作方式和array非常相似，两者唯一的区别在于空间运用的灵活性。array是静态空间，一旦配置了就不能改变大小，要换个更大的空间，需要用户自己操作（重新配置、元素移动、释放空间）。vector是动态空间，随着元素的加入，它的内部机制会自行扩充空间以容纳新的元素。
• 为了降低空间配置时的速度成本，vector实际配置的大小可能比客户端需求量更大一些，以备将来可能的扩充，这便是容量的概念。换句话说，一个vector的容量永远大于或等于其大小，一旦容量等于其大小，便是满载，下次增加元素时就得另外找空间。
• 当动态增加时，并不是在原空间之后增加（因为无法保证原空间之后有空间的空间），而是以原大小的两倍另外配置一块较大的空间，然后将内容拷贝过来，然后才开始在原内容之后构造新元素，并释放原空间。因此，对于vector的操作，一旦引起空间重新配置，指向原vector的所有迭代器就失效了，务必小心。
• vector的迭代器就是普通指针。

  （3）双向链表list：

• list底层数据结构为双向链表，它的好处是每次插入或删除一个元素，就配置或释放一个元素空间。因此list的对于空间的使用一点也不浪费，对于任何位置的元素插入或元素移除，list永远是常数时间。
• list不能像vector那样使用普通指针作为迭代器，因为其节点不保证在存储空间中连续存在。list的迭代器必须有能力指向list的节点，并有能力进行正确的递增、递减、取值、成员存取等操作。
• list有一个重要性质：插入操作和接合操作都不会造成原有的list迭代器失效，这在vector中是不成立的。
• vector和list比较：1）vector进行随机存取时，时间复杂度为o(1)，在进行插入和删除操作时，会造成内存块的拷贝，时间复杂度为o(n)。2）list的随机存取非常没有效率，时间复杂度为o(n)，插入和删除时时间复杂度为O(1)。

  （4）双向动态数组deque：

• vector是单向开口的连续线性空间，deque则是一种双向开口的连续线性空间。所谓双向开口，意思是可以在头尾两端分别做元素的插入和删除操作。
• deque和vector的最大差异：一在于允许常数时间内对头端进行元素的插入或移除操作；二在于deque没有容量的概念，因为它是动态地以分段连续空间组合而成，随时可以增加一段新的空间并链接起来。
• deque的迭代器不是普通指针，其复杂度比vector的迭代器更大，除非有必要，我们应尽可能地使用vector而非deque。
• deque是由一段一段的定量连续空间构成，一旦有必要在deque的前端或尾端增加新空间，便配置一段定量连续空间，串在整个deque的头端或尾端。deque最大的任务便是在分段的定量连续空间上，维护其整体连续的假像，并提供随机存取的接口。避开了“重新配置、复制、释放”的轮回，代价是复杂的迭代器结构，从这点上来说deque优于vector。
• deque采用一块所谓的map（不是STL中的map）作为中央控制区，这里的map是一小块连续的空间，每个元素都是一个指针，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的存储空间主体。当map使用率已经满载，则需要找一块更大的空间作为map。deque看起来像是list和vector的结合品。

  （5）单向链表forward_list：

• 单向链表forward_list和双向链表list的区别是forward_list的迭代器属于单向迭代器，而list的迭代器属于双向迭代器。因此forward_list的功能也受到了许多限制，但是forward_list所消耗的空间更小，某些操作更快，不失为一种选择。
• 单向链表不提供成员函数size()，也没有指向最末元素的锚点，因此单向链表不提供处理最末元素的成员函数，如back()、push_back()和pop_back()等。
• 根据STL的习惯，插入操作会将新元素插入与指定位置之前，而非之后，作为单向链表，没有办法可以回头定出前一个位置，为此，单向链表提供了insert_after()和erase_after()函数，将元素安插于或删除元素于指定位置之后。
• 基于同样的考虑，单向链表不提供push_back()，只提供push_front()，即单向链表采用的是头差法，因此单向链表的次序会和元素插入的次序相反。

  （6）有序集合set和multiset：

• set的底层数据结构为红黑树，所有元素都会根据键值自动排序。set不像map那样可以同时拥有实值和键值，set元素的键值就是实值，实值就是键值。
• 我们不能通过set的迭代器改变set的元素值，因为set的元素值就是set的键值，关系到set的排列规则，如果任意改变元素值，会严重破坏set的组织。set的迭代器是一种constant iterator。
• set不允许元素有重复值，而multiset允许元素有重复值，multiset的插入操作是底层机制红黑树的insert_equal()，而set的插入是insert_unique()。

  （7）有序字典map和multimap：

• map的底层数据结构为红黑树，所有元素都会根据元素的键值自动排序。map的所有元素都是pair，同时拥有实值和键值，pair的第一个元素是键值，第二个元素是实值。
• 我们不能通过map的迭代器改变map的键值，键值关系到map的排列规则，如果任意改变元素值，会严重破坏set的组织。但是我们可以通过迭代器改变元素的实值，因此map的迭代器既不是一种constant iterator，也不是一种mutable iterator。
• map不允许键有重复值，而multiset允许键有重复值，multimap的插入操作是底层机制红黑树的insert_equal()，而map的插入是insert_unique()。

  （8）无序集合unordered_set、unordered_multiset和无序字典unordered_map、unordered_multimap：

• 无序集合和无序字典的底层实现机制为hash table，我们知道hash table存在的一个问题是如何处理冲突，有三种方法可以处理碰撞问题，分别是：线性探测、二次探测、拉链法。而STL中hash table所采用的方法为拉链法。
• 使用hash table时，必须要指定key和value（如果是unorderd_map或unordered_multimap）的类型、哈希函数、可有可无的定义“等价准则“的一个判断式、可有可无的分配器。
• 一个unordered_map或unordered_multimap的可以拥有任何类型的key和value，只要它们满足以下两个条件：1）key和value都必须可被复制或可被搬移；2）key必须可被“等价准则”拿来比较。
• 如果没有指定哈希函数，则使用默认的哈希函数，可用于所有的整型、浮点型、string、指针及若干特殊类型，至于其它类型，比如用户自定义的类型，你必须传入你自己的哈希函数。
• unordered_multimap、unordered_multiset与unordered_map、unordered_set的唯一区别是，前两种容器采用底层hash table的insert_equal()，而后两种容器采用insert_unique()。

  （9）栈stack和队列queue：

• 底层一般用list或deque实现，封闭头部即可，SGI STL缺省情况下是以deque作为stack和queue的底层数据结构。不用vector的原因应该是容量大小有限制，扩容耗时，而使用deque或list时扩容时间消耗少；
• stack和queue不允许有遍历行为，因此stack不提供迭代器；
• 由于stack和queue是以底部容器完成其所有工作，而具有“修改某物接口，形成另一种风貌”之性质者，称为adapter（配接器），因此stack和queue往往不被归类为容器，而被归类为配接器。

  （10）优先级队列priority_queue：

• 优先级队列带有权值观念，其内的元素并非按照推入的次序排列，而是自动按照元素的权值排列，权值最高者，排在最前面。
• 缺省情况下，优先级队列使用一个大顶堆（max heap）完成，这个大顶堆使用一个vector保存，大顶堆可以满足优先级队列所需的“依权值高低自动递减排序”的特性。
• 和queue和stack一样，priority_queue也是一个配接器，不允许有遍历行为，因为也不提供迭代器。

3、STL容器的公共函数：

vector v1 = {x1,x2,...}	第一种初始化方式
vector v2{x1,x2,...}	第二种初始化方式
list l; vecto v3(l.begin(), l.end())	第三种初始化方式，以另种容器的元素为初值
int carray[] = {x1,x2,...} set c(begin(carray), end(carray))	第四种初始化方式，以某个C语言的array的元素作为初值
for(const auto& elem : coll){ elem }	只读的方式访问元素，auto自定确定容器的元素类型
for(auto& elem : coll){ elem }	可写的方式访问元素
for(auto pos = coll.cbegin(); pos!=coll.cend(); ++pos){  *pos  }	迭代器的方式只读访问元素
for(auto pos = coll.begin(); pos!=coll.end(); ++pos){ *pos }	迭代器的方式可写访问元素
c.empty()	判断容器是否为空，为空则返回true，否则返回false
c.size()	返回容器的元素数量，不适合forward_list<>
c.begin()	返回一个iterator，指向第一个元素
c.end()	返回一个iterator，指向最末元素的下一个位置
c.cbegin()	返回一个const iterator，指向第一个元素
c.cend()	返回一个const iterator，指向最末元素的下一个位置
c.clear()	移除所有元素，令容器为空，不适用于array<>

参考：《C++标准库》