五、2023.10.1.C++stl.5

65、请说说 STL 的基本组成部分?

标准模板库（Standard Template Library,简称STL）简单说，就是一些常用数据结构和算法的模板的集合。
广义上讲：STL分为3类：Algorithm（算法）、Container（容器）和Iterator（迭代器），容器和算法通过迭代器可以进行无缝地连接。
详细的说：STL由6部分组成：容器(Container)、算法（Algorithm）、 迭代器（Iterator）、仿函数（Function object）、适配器（Adaptor）、空间配制器（Allocator）。
标准模板库STL主要由6大组成部分：容器(Container)

1. 是一种数据结构， 如list, vector, 和deques，以模板类的方法提供。为了访问容器中的数据，可以使用由容器类输出的迭代器。
2. 算法（Algorithm）
   是用来操作容器中的数据的模板函数。例如，STL用sort()来对一 个vector中的数据进行排序，用
   find()来搜索一个list中的对象， 函数本身与他们操作的数据的结构和类型无关，因此他们可以用于
   从简单数组到高度复杂容器的任何数据结构上。
3. 迭代器（Iterator）
   提供了访问容器中对象的方法。例如，可以使用一对迭代器指定list或vector中的一定范围的对象。迭代器就如同一个指针。事实上，C++ 的指针也是一种迭代器。 但是，迭代器也可以是那些定义了operator*()以及其他类似于指针的操作符方法的类对象;
4. 仿函数（Function object）
   仿函数又称之为函数对象， 其实就是重载了操作符的struct,没有什么特别的地方
5. 适配器（Adaptor）
   简单的说就是一种接口类，专门用来修改现有类的接口，提供一中新的接口；或调用现有的函数来实现所需要的功能。主要包括3中适配器Container Adaptor、Iterator Adaptor、Function
   Adaptor。
6. 空间配制器（Allocator）
   为STL提供空间配置的系统。其中主要工作包括两部分：
   （1）对象的创建与销毁；（2）内存的获取与释放。

66、请说说 STL 中常见的容器，并介绍一下实现原理？

容器可以用于存放各种类型的数据（基本类型的变量，对象等）的数据结构，都是模板类，分为顺序容器、关联式容器、容器适配器三种类型，三种类型容器特性分别如下：

1. 顺序容器
   容器并非排序的，元素的插入位置同元素的值无关。包含vector、deque、list，具体实现原理如
   下：
   （1）vector 头文件
   动态数组。元素在内存连续存放。随机存取任何元素都能在常数时间完成。在尾端增删元素具有较佳的性能。
   （2）deque 头文件
   双向队列。元素在内存连续存放。随机存取任何元素都能在常数时间完成（仅次于vector）。在两端增删元素具有较佳的性能（大部分情况下是常数时间）。
   （3）list 头文件
   双向链表。元素在内存不连续存放。在任何位置增删元素都能在常数时间完成。不支持随机存取。

2. 关联式容器
   元素是排序的；插入任何元素，都按相应的排序规则来确定其位置；在查找时具有非常好的性能；
   通常以平衡二叉树的方式实现。包含set、multiset、map、multimap，具体实现原理如下：
   （1）set/multiset 头文件
   set 即集合。set中不允许相同元素，multiset中允许存在相同元素。
   （2）map/multimap 头文件
   map与set的不同在于map中存放的元素有且仅有两个成员变，一个名为first,另一个名为second,
   map根据first值对元素从小到大排序，并可快速地根据first来检索元素。注意：map同multimap的不同在于是否允许相同first值的元素。

3. 容器适配器
   封装了一些基本的容器，使之具备了新的函数功能，比如把deque封装一下变为一个具有stack功能的数据结构。这新得到的数据结构就叫适配器。包含stack,queue,priority_queue，具体实现原理如下：
   （1）stack 头文件
   栈是项的有限序列，并满足序列中被删除、检索和修改的项只能是最进插入序列的项（栈顶的
   项），后进先出。
   （2）queue 头文件
   队列，插入只可以在尾部进行，删除、检索和修改只允许从头部进行。先进先出。
   （3）priority_queue 头文件
   优先级队列。内部维持某种有序，然后确保优先级最高的元素总是位于头部。最高优先级元素总是第一个出列。

67、请说说 STL 中常见的容器，并介绍一下实现原理？

map、hashtable、deque、list实现机理分别为红黑树、函数映射、双向队列、双向链表，他们的特性分别如下：

1. map实现原理
   map内部实现了一个红黑树（红黑树是非严格平衡的二叉搜索树，而AVL是严格平衡二叉搜索
   树），红黑树有自动排序的功能，因此map内部所有元素都是有序的，红黑树的每一个节点都代表着map的一个元素。因此，对于map进行的查找、删除、添加等一系列的操作都相当于是对红黑树进行的操作。map中的元素是按照二叉树（又名二叉查找树、二叉排序树）存储的，特点就是左子树上所有节点的键值都小于根节点的键值，右子树所有节点的键值都大于根节点的键值。使用中序历可将键值按照从小到大遍历出来。
2. hashtable（也称散列表，直译作哈希表）实现原理
   hashtable采用了函数映射的思想记录的存储位置与记录的关键字关联起来，从而能够很快速地进
   行查找。这决定了哈希表特殊的数据结构，它同数组、链表以及二叉排序树等相比较有很明显的区别，它能够快速定位到想要查找的记录，而不是与表中存在的记录的关键字进行比较来进行查找。
3. deque实现原理
   deque内部实现的是一个双向队列。元素在内存连续存放。随机存取任何元素都在常数时间完成（仅次于vector）。所有适用于vector的操作都适用于deque。在两端增删元素具有较佳的性能（大部分情况下是常数时间）。
4. list实现原理
   list内部实现的是一个双向链表。元素在内存不连续存放。在任何位置增删元素都能在常数时间完成。不支持随机存取。无成员函数，给定一个下标i，访问第i个元素的内容，只能从头部挨个遍历到第i个元素。

68、请你来介绍一下 STL 的空间配置器（allocator）？

一般情况下,一个程序包括数据结构和相应的算法，而数据结构作为存储数据的组织形式，与内存空间有着密切的联系。
在C++ STL中，空间配置器便是用来实现内存空间(一般是内存，也可以是硬盘等空间)分配的工具，他与容器联系紧密，每一种容器的空间分配都是通过空间分配器alloctor实现的。

1. 两种C++类对象实例化方式的异同
   在c++中，创建类对象一般分为两种方式：一种是直接利用构造函数，直接构造类对象，如 Testtest()；另一种是通过new来实例化一个类对象，如 Test *pTest = new Test；那么，这两种方式有
   什么异同点呢？
   我们知道，内存分配主要有三种方式：
   （1） 静态存储区分配：内存在程序编译的时候已经分配好，这块内存在程序的整个运行空间内都存在。如全局变量,静态变量等。
   （2） 栈空间分配：程序在运行期间，函数内的局部变量通过栈空间来分配存储（函数调用栈），当函数执行完毕返回时，相对应的栈空间被立即回收。主要是局部变量。
   （3）堆空间分配：程序在运行期间，通过在堆空间上为数据分配存储空间，通过malloc和new创建的对象都是从堆空间分配内存，这类空间需要程序员自己来管理，必须通过free()或者是delete()函数对堆空间进行释放，否则会造成内存溢出。
   那么，从内存空间分配的角度来对这两种方式的区别，就比较容易区分:
   （1）对于第一种方式来说，是直接通过调用Test类的构造函数来实例化Test类对象的,如果该实例化对象是一个局部变量，则其是在栈空间分配相应的存储空间。
   （2）对于第二种方式来说,就显得比较复杂。这里主要以new类对象来说明一下。new一个类对象,其实是执行了两步操作：首先,调用new在堆空间分配内存,然后调用类的构造函数构造对象的内容；同样，使用delete释放时，也是经历了两个步骤：首先调用类的析构函数释放类对象，然后调
   用delete释放堆空间。
2. C++ STL空间配置器实现
   很容易想象，为了实现空间配置器，完全可以利用new和delete函数并对其进行封装实现STL的空间配置器，的确可以这样。但是，为了最大化提升效率，SGI STL版本并没有简单的这样做，而是采取了一定的措施，实现了更加高效复杂的空间分配策略。由于以上的构造都分为两部分，所以，在SGI STL中，将对象的构造切分开来，分成空间配置和对象构造两部分。

内存配置操作: 通过alloc::allocate()实现
内存释放操作: 通过alloc::deallocate()实现
对象构造操作: 通过::construct()实现
对象释放操作: 通过::destroy()实现

关于内存空间的配置与释放，SGI STL采用了两级配置器：一级配置器主要是考虑大块内存空间，利用malloc和free实现；二级配置器主要是考虑小块内存空间而设计的（为了最大化解决内存碎片问题，进而提升效率），采用链表free_list来维护内存池（memory pool），free_list通过union结构实现，空闲的内存块互相挂接在一块，内存块一旦被使用，则被从链表中剔除，易于维护。

69、请你来介绍一下 STL 的空间配置器（allocator）？

STL中常用的容器有vector、deque、list、map、set、multimap、multiset、unordered_map、
unordered_set等。容器底层实现方式及时间复杂度分别如下：

1. vector
   采用一维数组实现，元素在内存连续存放，不同操作的时间复杂度为：
   插入: O(N)
   查看: O(1)
   删除: O(N)
2. deque
   采用双向队列实现，元素在内存连续存放，不同操作的时间复杂度为：
   插入: O(N)
   查看: O(1)
   删除: O(N)
3. list
   采用双向链表实现，元素存放在堆中，不同操作的时间复杂度为：
   插入: O(1)
   查看: O(N)
   删除: O(1)
4. map、set、multimap、multiset
   上述四种容器采用红黑树实现，红黑树是平衡二叉树的一种。不同操作的时间复杂度近似为:
   插入: O(logN)
   查看: O(logN)
   删除: O(logN)
5. unordered_map、unordered_set、unordered_multimap、 unordered_multiset
   上述四种容器采用哈希表实现，不同操作的时间复杂度为：
   插入: O(1)，最坏情况O(N)
   查看: O(1)，最坏情况O(N)
   删除: O(1)，最坏情况O(N)
   注意：容器的时间复杂度取决于其底层实现方式。

70、迭代器用过吗？什么时候会失效？

用过，常用容器迭代器失效情形如下。

1. 对于序列容器vector，deque来说，使用erase后，后边的每个元素的迭代器都会失效，后边每个元素都往前移动一位，erase返回下一个有效的迭代器。
2. 对于关联容器map，set来说，使用了erase后，当前元素的迭代器失效，但是其结构是红黑树，删除当前元素，不会影响下一个元素的迭代器，所以在调用erase之前，记录下一个元素的迭代器即可。
3. 对于list来说，它使用了不连续分配的内存，并且它的erase方法也会返回下一个有效的迭代器，因此上面两种方法都可以使用。

71、说一下STL中迭代器的作用，有指针为何还要迭代器？

1. 迭代器的定义：提供了访问容器中对象的方法。例如，可以使用一对迭代器指定list或vector中的一定范围的对象。迭代器就如同一个指针。事实上，C++ 的指针也是一种迭代器。 但是，迭代器也可以是那些定义了operator*()以及其他类似于指针的操作符方法的类对象;
2. 迭代器的作用
   （1）用于指向顺序容器和关联容器中的元素
   （2）通过迭代器可以读取它指向的元素
   （3）通过非const迭代器还可以修改其指向的元素
3. 迭代器和指针的区别
   迭代器不是指针，是类模板，表现的像指针。他只是模拟了指针的一些功能，重载了指针的一些操作符，–>、++、–等。迭代器封装了指针，是一个”可遍历STL（ Standard Template Library）容器内全部或部分元素”的对象，本质是封装了原生指针，是指针概念的一种提升，提供了比指针更高级的行为，相当于一种智能指针，他可以根据不同类型的数据结构来实现不同的++，–等操作。迭代器返回的是对象引用而不是对象的值，所以cout只能输出迭代器使用取值后的值而不能直接输出其自身。
4. 迭代器产生的原因
   Iterator类的访问方式就是把不同集合类的访问逻辑抽象出来，使得不用暴露集合内部的结构而达到循环遍历集合的效果。
   具体：
5. 迭代器
   Iterator（迭代器）模式又称游标（Cursor）模式，用于提供一种方法顺序访问一个聚合对象中各个元素, 而又不需暴露该对象的内部表示。 或者这样说可能更容易理解：Iterator模式是运用于聚合对象的一种模式，通过运用该模式，使得我们可以在不知道对象内部表示的情况下，按照一定顺序（由iterator提供的方法）访问聚合对象中的各个元素。 由于Iterator模式的以上特性：与聚合对象耦合，在一定程度上限制了它的广泛运用，一般仅用于底层聚合支持类，如STL的list、vector、stack等容器类及ostream_iterator等扩展Iterator。
   例子：

#include 
#include 
using namespace std;
int main() {
	vector<int> v; //一个存放int元素的数组，一开始里面没有元素
	v.push_back(1);
	v.push_back(2);
	v.push_back(3);
	v.push_back(4);
	vector<int>::const_iterator i; //常量迭代器
	for (i = v.begin(); i != v.end(); ++i) //v.begin()表示v第一个元素迭代器指针，++i
	指向下一个元素
		cout << *i << ","; //*i表示迭代器指向的元素
		cout << endl;
	vector<int>::reverse_iterator r; //反向迭代器
	for (r = v.rbegin(); r != v.rend(); r++)
		cout << *r << ",";
		cout << endl;
	vector<int>::iterator j; //非常量迭代器
	for (j = v.begin();j != v.end();j++)
		*j = 100;
	for (i = v.begin();i != v.end();i++)
		cout << *i << ",";
	return 0;
}
/* 运行结果：
1,2,3,4,
4,3,2,1,
100,100,100,100,
*/

72、说说 STL 迭代器是怎么删除元素的？

这是主要考察迭代器失效的问题。

1. 对于序列容器vector，deque来说，使用erase后，后边的每个元素的迭代器都会失效，后边每个元素都往前移动一位，erase返回下一个有效的迭代器；
2. 对于关联容器map，set来说，使用了erase后，当前元素的迭代器失效，但是其结构是红黑树，删除当前元素，不会影响下一个元素的迭代器，所以在调用erase之前，记录下一个元素的迭代器即可；
3. 对于list来说，它使用了不连续分配的内存，并且它的erase方法也会返回下一个有效的迭代器，因此上面两种方法都可以使用。
   

73、说说 STL 中 resize 和 reserve 的区别？

1. 首先必须弄清楚两个概念：
   （1）capacity：该值在容器初始化时赋值，指的是容器能够容纳的最大的元素的个数。还不能通过下标等访问，因为此时容器中还没有创建任何对象。
   （2）size：指的是此时容器中实际的元素个数。可以通过下标访问0-(size-1)范围内的对象。
2. resize和reserve区别主要有以下几点：
   （1）resize既分配了空间，也创建了对象；reserve表示容器预留空间，但并不是真正的创建对象，需要通过insert（）或push_back（）等创建对象。
   （2）resize既修改capacity大小，也修改size大小；reserve只修改capacity大小，不修改size大小。
   （3）两者的形参个数不一样。 resize带两个参数，一个表示容器大小，一个表示初始值（默认为0）；reserve只带一个参数，表示容器预留的大小。

问题延伸：
resize 和 reserve 既有差别，也有共同点。两个接口的共同点是它们都保证了vector的空间大小(capacity)最少达到它的参数所指定的大小。下面就他们的细节进行分析。
为实现resize的语义，resize接口做了两个保证：
（1）保证区间[0, new_size)范围内数据有效，如果下标index在此区间内，vector[indext]是合法的；
（2）保证区间[0, new_size)范围以外数据无效，如果下标index在区间外，vector[indext]是非法的。
而： reserve只是保证vector的空间大小(capacity)最少达到它的参数所指定的大小n。在区间[0, n)范围内，如果下标是index，vector[index]这种访问有可能是合法的，也有可能是非法的，视具体情况而定。

74、说说 STL 容器动态链接可能产生的问题？

1. 可能产生的问题
   容器是一种动态分配内存空间的一个变量集合类型变量。在一般的程序函数里，局部容器，参数传递容器，参数传递容器的引用，参数传递容器指针都是可以正常运行的，而在动态链接库函数内部使用容器也是没有问题的，但是给动态库函数传递容器的对象本身，则会出现内存堆栈破坏的问题。
2. 产生问题的原因
   容器和动态链接库相互支持不够好，动态链接库函数中使用容器时，参数中只能传递容器的引用，并且要保证容器的大小不能超出初始大小，否则导致容器自动重新分配，就会出现内存堆栈破坏问题。

75、说说 map 和 unordered_map 的区别？底层实现？

map和unordered_map的区别在于他们的实现基理不同。

1. map实现机理
   map内部实现了一个红黑树（红黑树是非严格平衡的二叉搜索树，而AVL是严格平衡二叉搜索树），红黑树有自动排序的功能，因此map内部所有元素都是有序的，红黑树的每一个节点都代表着map的一个元素。因此，对于map进行的查找、删除、添加等一系列的操作都相当于是对红黑树进行的操作，map中的元素是按照二叉树（又名二叉查找树、二叉排序树）存储的，特点就是左子树上所有节点的键值都小于根节点的键值，右子树所有节点的键值都大于根节点的键值。使用中序遍历可将键值按照从小到大遍历出来。
2. unordered_map实现机理
   unordered_map内部实现了一个哈希表（也叫散列表），通过把关键码值映射到Hash表中一个位置来访问记录，查找时间复杂度可达O（1），其中在海量数据处理中有着广泛应用。因此，元素的排列顺序是无序的。

76、说说 vector 和 list 的区别，分别适用于什么场景？

vector和list区别在于底层实现机理不同，因而特性和适用场景也有所不同。

1. vector：一维数组
   特点：元素在内存连续存放，动态数组，在堆中分配内存，元素连续存放，有保留内存，如果减少大小
   后内存也不会释放。
   优点：和数组类似开辟一段连续的空间，并且支持随机访问，所以它的查找效率高其时间复杂度O(1)。
   缺点：由于开辟一段连续的空间，所以插入删除会需要对数据进行移动比较麻烦，时间复杂度O（n），另外当空间不足时还需要进行扩容。

2. list：双向链表
   特点：元素在堆中存放，每个元素都是存放在一块内存中，它的内存空间可以是不连续的，通过指针来
   进行数据的访问。
   优点：底层实现是循环双链表，当对大量数据进行插入删除时，其时间复杂度O(1)。
   缺点：底层没有连续的空间，只能通过指针来访问，所以查找数据需要遍历其时间复杂度O（n），没
   有提供[]操作符的重载。

3. 应用场景：
   vector拥有一段连续的内存空间，因此支持随机访问，如果需要高效的随即访问，而不在乎插入和删除
   的效率，使用vector。
   list拥有一段不连续的内存空间，如果需要高效的插入和删除，而不关心随机访问，则应使用list。

77、简述 vector 的实现原理？

vector底层实现原理为一维数组（元素在空间连续存放）。

1. 新增元素
   Vector通过一个连续的数组存放元素，如果集合已满，在新增数据的时候，就要分配一块更大的内存，将原来的数据复制过来，释放之前的内存，在插入新增的元素。插入新的数据分在最后插入push_back和通过迭代器在任何位置插入，这里说一下通过迭代器插入，通过迭代器与第一个元素的距离知道要插入的位置，即int index=iter-begin()。这个元素后面的所有元素都向后移动一个位置，在空出来的位置上存入新增的元素。

78、简述STL 中的 map 的实现原理？

map是关联式容器，它们的底层容器都是红黑树。map 的所有元素都是 pair，同时拥有实值（value）和键值（key）。pair 的第一元素被视为键值，第二元素被视为实值。所有元素都会根据元素的键值自动被排序。不允许键值重复。
map的特性如下
（1）map以RBTree作为底层容器；
（2）所有元素都是键+值存在；
（3）不允许键重复；
（4）所有元素是通过键进行自动排序的；
（5）map的键是不能修改的，但是其键对应的值是可以修改的。

79、C++ 的 vector 和 list中，如果删除末尾的元素，其指针和迭代器如何变化？若删除的是中间的元素呢？

1. 迭代器和指针之间的区别
   **迭代器不是指针，是类模板，表现的像指针。他只是模拟了指针的一些功能，重载了指针的一些操作符，–>、++、–等。迭代器封装了指针，是一个”可遍历STL（ Standard Template Library）容器内全部或部分元素”的对象，本质是封装了原生指针，是指针概念的一种提升，提供了比指针更高级的行为，相当于一种智能指针，他可以根据不同类型的数据结构来实现不同的++，–等操作。**迭代器返回的是对象引用而不是对象的值，所以cout只能输出迭代器使用取值后的值而不能直接输出其自身。
2. vector和list特性
   vector特性 动态数组。元素在内存连续存放。随机存取任何元素都在常数时间完成。在尾端增删元素具有较大的性能（大部分情况下是常数时间）。list特性双向链表。元素在内存不连续存放。在任何位置增删元素都能在常数时间完成。不支持随机存取。
3. vector增删元素
   对于vector而言，删除某个元素以后，该元素后边的每个元素的迭代器都会失效，后边每个元素都往前移动一位，erase返回下一个有效的迭代器。
4. list增删元素
   对于list而言，删除某个元素，只有“指向被删除元素”的那个迭代器失效，其它迭代器不受任何影响。

80、 请你来说一下 map 和 set 有什么区别，分别又是怎么实现的？

1. set是一种关联式容器，其特性如下：
   （1）set以RBTree作为底层容器
   （2）所得元素的只有key没有value，value就是key
   （3）不允许出现键值重复
   （4）所有的元素都会被自动排序
   （5）不能通过迭代器来改变set的值，因为set的值就是键，set的迭代器是const的
2. map和set一样是关联式容器，其特性如下：
   （1）map以RBTree作为底层容器
   （2）所有元素都是键+值存在
   （3）不允许键重复
   （4）所有元素是通过键进行自动排序的
   （5）map的键是不能修改的，但是其键对应的值是可以修改的
   综上所述，map和set底层实现都是红黑树；map和set的区别在于map的值不作为键，键和值是分
   开的。

81、说说 push_back 和 emplace_back 的区别?

如果要将一个临时变量push到容器的末尾，push_back()需要先构造临时对象，再将这个对象拷贝到容
器的末尾，而emplace_back()则直接在容器的末尾构造对象，这样就省去了拷贝的过程。

#include 
#include 
#include 
using namespace std;
class A {
public:
	A(int i){
	str = to_string(i);
	cout << "构造函数" << endl;
}
	~A(){}
	A(const A& other): str(other.str){
	cout << "拷贝构造" << endl;
	}
public:
string str;
};
int main() {
vector<A> vec;
vec.reserve(10);
	for(int i=0;i<10;i++){
	vec.push_back(A(i)); //调用了10次构造函数和10次拷贝构造函数,
// vec.emplace_back(i); //调用了10次构造函数一次拷贝构造函数都没有调用过
	return 0;
}

82、STL 中 vector 与 list 具体是怎么实现的？常见操作的时间复杂度是多少？

1. vector 一维数组（元素在内存连续存放）
   是动态数组，在堆中分配内存，元素连续存放，有保留内存，如果减少大小后，内存也不会释放；如果新增大小当前大小时才会重新分配内存。
   扩容方式：
   a. 倍放开辟三倍的内存
   b. 旧的数据开辟到新的内存
   c. 释放旧的内存
   d. 指向新内存
2. list 双向链表（元素存放在堆中）
   元素存放在堆中，每个元素都是放在一块内存中，它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，它可以很有效的支持任意地方的删除和插入操作。
   特点：
   a. 随机访问不方便
   b. 删除插入操作方便
3. 常见时间复杂度
   （1）vector插入、查找、删除时间复杂度分别为：O(n)、O(1)、O(n)；
   （2）list插入、查找、删除时间复杂度分别为：O(1)、O(n)、O(1)。

国庆快乐！