C++ STL标准库概述--容器

一、定义

STL，英文全称 sdard template library，中文可译为标准模板库或者泛型库，其包含有大量的模板类和模板函数，是 C++ 提供的一个基础模板的集合，用于完成诸如输入/输出、数学计算等功能。简单来讲，STL是一些容器、算法和其他一些组件的集合。

二、组成结构

STL是由容器、算法、迭代器、函数对象、适配器、内存分配器这 6 部分构成，其中后面 4 部分是为前 2 部分服务的，它们各自的含义如下图所示。

C++ 标准中，STL被组织为 13 个头文件。

三、容器

容器（container）是用于存放数据的类模板。可变长数组、链表、平衡二叉树等数据结构在 STL 中都被实现为容器。

容器中可以存放基本类型的变量，也可以存放对象。对象或基本类型的变量被插入容器中时，实际插入的是对象或变量的一个复制品。
容器分为两大类,即顺序容器和关联容器；也可以分为三大类：序列容器、排序容器和哈希容器。

1、顺序容器（序列容器）

顺序容器或序列容器，其特点就是元素在容器中的位置同元素的值无关，即容器不会对存储的元素进行排序。将元素插入容器时，指定在什么位置（尾部、头部或中间某处）插入，元素就会位于什么位置。

STL标准库中所有的序列式容器，包括 array、vector、deque、list 和 forward_list。

2、关联容器（排序容器、有序关联容器）

关联容器分为 set（集合）和 map（映射表）两大类，及其衍生体 multiset 和 multimap。这些容器的底层机制均以 RB-tree（红黑树）实现，平衡二叉树中的一种（还包括AVL-tree、AA-tree）。RB-tree 也是一个独立容器，但并不开放使用。

SGI STL 还提供一个不在标准规格的关联式容器 hash_table（散列表），以及以 hash_table 为底层机制而完成的 hash_set散列集合、hash_map散列映射表、hash_multiset散列多键集合、hash_multimap散列多键映射表。

关联容器中每个元素都有一个键值key和一个实值value。关联容器内的元素是排序的。插入元素时，容器会按一定的排序规则将元素放到适当的位置上，因此插入元素时不能指定位置。

默认情况下，关联容器中的元素是从小到大排序（或按关键字从小到大排序）的，而且用`<`运算符比较元素或关键字大小。因为是排好序的，所以关联容器在查找时具有非常好的性能。

3、无序关联容器（哈希容器）

无序关联式容器，它们常被称为“无序容器”、“哈希容器”或者“无序关联容器”。

无序容器是 C++ 11 标准才正式引入到 STL 标准库中的，如果要使用该类容器，则必须选择支持 C++ 11 标准的编译器。

和关联式容器一样，无序容器也使用键值对（pair 类型）的方式存储数据。但是它们有着本质上的不同：关联式容器的底层实现采用的树存储结构，更确切的说是红黑树结构；无序容器的底层实现采用的是哈希表的存储结构。

C++ STL 底层采用哈希表实现无序容器时，会将所有数据存储到一整块连续的内存空间中，并且当数据存储位置发生冲突时，解决方法选用的是“链地址法”（又称“开链法”）。

基于底层实现采用了不同的数据结构，因此和关联式容器相比，无序容器具有以下 2 个特点：
①无序容器内部存储的键值对是无序的，各键值对的存储位置取决于该键值对中的键；
②和关联式容器相比，无序容器擅长通过指定键查找对应的值（平均时间复杂度为 O(1)）；但对于使用迭代器遍历容器中存储的元素，无序容器的执行效率则不如关联式容器。
和关联式容器一样，无序容器只是一类容器的统称，其包含有 4 个具体容器，分别为 unordered_map、unordered_multimap、unordered_set 以及 unordered_multiset。

这4种无序容器的名称，仅是在关联式容器名称的基础上，添加了 "unordered_"。以 map 和 unordered_map 为例，其实它们仅有一个区别，即 map 容器内存会对存储的键值对进行排序，而 unordered_map 不会。也就是说，C++ 11 标准的 STL 中，在已提供有 4 种关联式容器的基础上，又新增了各自的“unordered”版本（无序版本、哈希版本），提高了查找指定元素的效率。

实际场景中如果涉及大量遍历容器的操作，建议首选关联式容器；反之，如果更多的操作是通过键获取对应的值，则应首选无序容器。

注意，由于哈希容器直到 C++ 11 才被正式纳入 C++ 标准程序库，而在此之前，“民间”流传着 hash_set、hash_multiset、hash_map、hash_multimap 版本，不过该版本只能在某些支持 C++ 11 的编译器下使用（如 VS），有些编译器（如 gcc/g++）是不支持的。

4、容器适配器

除了以上两类容器外，STL 还在两类容器的基础上屏蔽一部分功能，突出或增加另一部分功能，实现了三种容器适配器：栈 stack、队列 queue、优先级队列 priority_queue。

容器适配器是一个封装了序列容器的类模板，它在一般序列容器的基础上提供了一些不同的功能。之所以称作适配器类，是因为它可以通过适配容器现有的接口来提供不同的功能。

1.  stack：是一个封装了 deque 容器的适配器类模板，默认实现的是一个后入先出（Last-In-First-Out，LIFO）的压入栈。stack 模板定义在头文件 stack 中。
2.  queue：是一个封装了 deque 容器的适配器类模板，默认实现的是一个先入先出（First-In-First-Out，LIFO）的队列。可以为它指定一个符合确定条件的基础容器。queue 模板定义在头文件 queue 中。
3.  priority_queue：是一个封装了 vector 容器的适配器类模板，默认实现的是一个会对元素排序，从而保证最大元素总在队列最前面的队列。priority_queue 模板定义在头文件 queue 中。

适配器类在基础序列容器的基础上实现了一些自己的操作，显然也可以添加一些自己的操作。它们提供的优势是简化了公共接口，而且提高了代码的可读性。

四、成员方法

所有容器都有以下两个成员函数：
①int size()：返回容器对象中元素的个数。
②bool empty()：判断容器对象是否为空。

顺序容器和关联容器还有以下成员函数：
* begin()：返回指向容器中第一个元素的迭代器。
* end()：返回指向容器中最后一个元素后面的位置的迭代器。
* rbegin()：返回指向容器中最后一个元素的反向迭代器。
* rend()：返回指向容器中第一个元素前面的位置的反向迭代器。
* erase(...)：从容器中删除一个或几个元素。该函数参数较复杂，此处省略。
* clear()：从容器中删除所有元素。

注：如果一个容器是空的，则 begin() 和 end() 的返回值相等，rbegin() 和 rend() 的返回值也相等。

顺序容器还有以下常用成员函数：
* front()：返回容器中第一个元素的引用。
* back()：返回容器中最后一个元素的引用。
* push_back()：在容器末尾增加新元素。
* pop_back()：删除容器末尾的元素。
* insert(...)：插入一个或多个元素。该函数参数较复杂，此处省略。

总结

以上几种容器的存储方式完全不同，因此使用不同容器完成相同操作的效率也大不相同。所以在实际使用时，要善于根据想实现的功能，选择合适的容器。