侯捷 C++ STL标准库和泛型编程 —— 3 容器（序列式容器）
3 容器
3.1 容器结构分类
分类：序列式容器 Sequence Container，关联式容器 Associative Container
-
序列式容器：按照放入的次序进行排列
- Array 数组，固定大小
- Vector 向量，会自动扩充大小
- Deque 双向队列，双向都可以扩充
- List 链表，双向链表
- Forward-List 链表，单向链表
-
关联式容器：有 key 和 value，适合快速的查找
STL中实现使用红黑树（高度平衡二叉树）和哈希表
-
Set，key 就是 value，元素不可重复
-
Map，key 和 value 是分开的，元素不可重复
-
Multi~，元素是可以重复的
-
Unordered~，HashTable Separate Chaining
-
其中 Array，Forward-List，Unordered~ 都是C++11的
3.2 序列式容器
3.2.1 array
测试
#include 运行结果：
随机数据填充容器：47ms；排序和搜索：187ms
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C++TR1下（比较简单）：
template <typename _Tp, std::size_t _Nm>
struct array
{
typedef _Tp value_type;
typedef _Tp* pointer;
typedef value_type* iterator; // 迭代器为_Tp*
value_type _M_instance[_Nm ? _Nm : 1]; // 如果_Nm为0，就分配一个空间
iterator begin() { return iterator(&_M_instance[0]); }
iterator end() { return iterator(&_M_instance[_Nm]); }
...
};
GCC4.9下（复杂且无益处）：
// GCC4.9通过多个typedef以下面的逻辑创建的array里的data
typedef int T[100]; // T即类型int[100]
T c; // 与int c[100]一样
3.2.2 vector
测试
#include 这是 array 在后面插入元素，其中若空间 capacity 不够，其会进行两倍扩充——即空间不够时会将原来的空间 *2
c.push_back(string(buf));
运行结果：
随机数据填充容器：3063ms；直接搜索：0ms（运气很好）；排序后二分查找：2765ms
深度探索
GCC2.9下：
一共3个指针：start，finish，end_of_storage
所以 sizeof(vector 是12
template <class T, class Alloc = alloc>
class vector
{
public:
typedef T value_type;
typedef value_type* iterator; // 迭代器就是T*
typedef value_type& reference;
typedef size_t size_type;
protected:
iterator start;
iterator finish;
iterator end_of_storage;
public:
iterator begin() { return start; }
iterator end() { return finish; }
size_type size() const { return size_type(end() - begin()); }
size_type capacity() const { return size_type(end_of_storage - begin()); }
bool empty() const { return begin() == end(); }
reference operator[](size_type n) { return *(begin() + n); }
// 所有连续储存的容器都有[]的重载
reference front() { return *begin(); }
reference back() { return *(end() - 1); }
}
vector 每次成长会大量调用元素的拷贝构造函数和析构函数，是一个大成本
void push_back(const T& x)
{
if (finish != end_of_storage) // 还有备用空间
{
construct(finish, x); // 全局函数
++finish;
}
else // 无备用空间
insert_aux(end(), x);
}
template <class T, class Alloc>
void vector<T, Alloc>::insert_aux(iterator position, const T& x){
if (finish != end_of_storage){ // insert_aux还会被其他函数调用所以还有检查
// 在‘备用空间起始处’构建一个元素以vector最后一个元素为初值
// insert_aux也可能被insert调用，元素插入位置不定
construct(finish, *(finish - 1));
++finish;
T x_copy = x;
copy_backward(position, finish - 2, finish - 1);
*position = x_copy;
}
else{
const size_type old_size = size();
const size_type len = old_size != 0 ? 2 * old_size : 1;
// 原大小为0，则分配1；否则，分配原大小的2倍
iterator new_start = data_allocator::allocate(len);
iterator new_finish = new_start;
try{
// 拷贝安插点前的原内容
new_finish = uninitialized_copy(start, position, new_start);
construct(new_finish, x);
++new_finish;
// 拷贝安插点后的原内容
new_finish = uninitialized_copy(position, finish, new_finish);
}
catch (...){
destroy(new_start, new_finish);
data_allocator::deallocate(new_start, len);
throw;
}
// 解构并释放原vector
destroy(begin(), end());
deallocate();
// 调整迭代器，指向新vector
start = new_start;
finish = new_finish;
end_of_storage = new_start + len;
}
GCC4.9下变得复杂：
且迭代器也变得乱七八糟，舍近求远，何必如此！！
3.2.3 list
测试
// 同理
void test_list(long& value)
{
...
list<string> c; // 创建一个字符串列表
char buf[10]; // 字符串缓冲区
...
string target = get_a_target_string(); // 获取目标字符串
timeStart = clock();
auto pItem = find(c.begin(), c.end(), target); // 在列表中查找目标字符串
cout << "std::find()，milli-seconds : " << (clock()-timeStart) << endl; // 输出查找时间
...
timeStart = clock();
c.sort(); // 对列表进行排序
cout << "c.sort(), milli-seconds : " << (clock()-timeStart) << endl; // 输出排序时间
c.clear(); // 清空
}
注意：
c.sort();是容器自带的排序函数，如果容器自带肯定是要比全局的排序函数好的list 同样也是用
c.push_back(string(buf));往里添加元素的
运行结果：
随机数据填充容器：3265ms；直接搜索：16ms；排序：2312ms
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GCC2.9中
// list class
template <class T, class Alloc = alloc>
class list
{
protected:
typedef __list_node<T> list_node;
public:
typedef list_node* link_type;
typedef __list_iterator<T, T&, T*> iterator; // 迭代器，每一个容器都会 typedef
// 只传一个参数就行了 不理想
protected:
link_type node; // 一个 __list_node 的指针
...
};
// 节点 class
template <class T>
struct __list_node
{
typedef void* void_pointer; // 每次用还要转换类型 不理想
void_pointer prev;
void_pointer next;
T data;
};
除了 array，vector 这样是连续存储的容器，其他容器的 iterator 都是智能指针，其有大量的操作符重载 —— 模拟指针
基本上所有的 iterator 都有下面5个 typedef 和一大堆操作符重载
// iterator class
template <class T, class Ref, class Ptr>
struct __list_iterator
{
typedef __list_iterator<T, T&, T*> self;
typedef bidirectional_iterator_tag iterator_category; // (1)双向迭代器
typedef T value_type; // (2)迭代器所指对象的类型
typedef Ptr pointer; // (3)迭代器所指对象的指针类型
typedef Ref reference; // (4)迭代器所指对象的引用类型
typedef __list_node<T>* link_type;
typedef ptrdiff_t difference_type; // (5)两个迭代器之间的距离类型
link_type node; // iterator本体，一个指向__list_node的指针
reference operator*() const { return (*node).data; }
pointer operator->() const { return &(operator*()); }
self& operator++() // ++i
{
node = (link_type)((*node).next); // 移到下一个节点
return *this;
}
self operator++(int) // i++ 为了区分加上了一个参数其实无用
{
self tmp = *this;
++*this;
return tmp;
}
...
};
注意：self operator++(int){...} 的 self tmp = *this; 中，由于先调用了 = 唤起了 copy ctor 用以创建 tmp 并以 *this 为初值，所以不会唤起 operator* —— *this 已经被解释为 ctor 的参数
下面的 ++*this; 同理
与 int 类似：iterator 可以连续前++，但不能连续后++
所以前++是返回引用，后++返回值
因为要符合前闭后开原则，所以在 list 尾端加上了一个空白节点
GCC4.9中做出了改进：
- 迭代器模板参数从三个 --> 只有一个
- 节点 class 中的前后指针类型从
void*-->_LIst_node_base*
在GCC4.9中 sizeof(list 是 8
在GCC2.9中 sizeof(list 是 4
3.2.4 forward_list
测试
// 同理
void test_forward_list(long& value)
{
...
forward_list<string> c; // 创建一个前向列表
char buf[10]; // 字符串缓冲区
...
string target = get_a_target_string(); // 获取目标字符串
timeStart = clock();
auto pItem = find(c.begin(), c.end(), target); // 在前向列表中查找目标字符串
cout << "std::find()，milli-seconds : " << (clock()-timeStart) << endl; // 输出查找时间
...
timeStart = clock();
c.sort(); // 进行排序
cout << "c.sort()， milli-seconds : " << (clock()-timeStart) << endl; // 输出排序时间
c.clear(); // 清空
}
注意：forward_list 只有
c.push_front();且没有forward_list.back()forward_list.size()
运行结果：
随机数据填充容器：3204ms；直接搜索：15ms；排序：2656ms
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与 list 相似，略
3.2.6 deque
测试
类似vector，两边都能扩充，实际上是分段连续的
其是通过 map（是一个vector，但在扩充时会 copy 到中间）里的指针指向各个 buffer，buffer 里再存数据，每个 buffer 的大小一致，每次扩充都是扩充一个指针指向一个新的 buffer
void test_deque(long& value)
{
...
deque<string> c; // 创建一个双端队列
char buf[10]; // 字符串缓冲区
...
string target = get_a_target_string(); // 获取目标字符串
timeStart = clock();
auto pItem = find(c.begin(), c.end(), target); // 在队列中查找目标字符串
cout << "std::find()，milli-seconds : " << (clock()-timeStart) << endl; // 输出查找时间
...
timeStart = clock();
sort(c.begin(), c.end()); // 对队列进行排序
cout << "sort()，milli-seconds : " << (clock()-timeStart) << endl; // 输出排序时间
c.clear(); // 清空队列
}
运行结果：
随机数据填充容器：2704ms；直接搜索：15ms；排序：3110ms
下面的 stack 和 queue 内部都是一个 deque，所以技术上这两个可以看作容器适配器 Container Adapter
深度探索
GCC2.9下
template <class T, class Alloc = alloc, size_t BufSiz = 0>
class deque
{
public:
typedef T value_type;
typedef __deque_iterator<T, T&, T*, BufSiz> iterator;
typedef size_t size_type;
typedef T* pointer;
protected:
typedef pointer* map_pointer; // T** 指向指针的指针
protected:
iterator start;
iterator finish;
map_pointer map;
size_type map_size;
// 两个迭代器:16*2，一个指针:4，一个size_t:4，一共40字节
public:
iterator begin() { return start; }
iterator end() { return finish; }
size_type size() const { return finish - start; }
...
};
注意：第三个模板参数
size_t BufSiz = 0有一个函数：如果不为0，则 buffer size 就是传入的数据
如果为0，表示预设值，那么
如果
sz = sizeof(value_type)< 512，传回512/sz
如果sz = sizeof(value_type)>= 512，传回1
迭代器四个指针，cur 指向当前元素，first 指向当前 buffer 的第一个元素，last 指向当前 buffer 的最后一个元素的下一个，node 指向当前 buffer 在 map（控制中心）的指针
// deque迭代器
template <class T, class Ref, class Ptr, size_t BufSiz>
struct __deque_iterator
{
typedef random_access_iterator_tag iterator_category; // (1)
typedef T value_type; // (2)
typedef Ptr pointer; // (3)
typedef Ref reference; // (4)
typedef size_t size_type;
typedef ptrdiff_t difference_type; // (5)
typedef T** map_pointer;
typedef __deque_iterator self;
T* cur;
T* first;
T* last;
map_pointer node; // 指向指针的指针
// 四个指针，一共16字节
...
};
deque 中的 insert 函数：
iterator insert(iterator position, const T& x)
{
if (position.cur == start.cur) // 插入点在deque最前端
{ // 交给push_front
push_front(x);
return start;
}
else if (position.cur == finish.cur) // 插入点在deque最尾端
{ // 交给push_front
push_back(x);
iterator tmp = finish;
--tmp;
return tmp;
}
else // 在中间插入
{
return insert_aux(position, x);
}
}
iterator insert_aux(iterator pos, const T& x)
{
difference_type index = pos - start; // 安插点前元素个数
value_type x_copy = x;
if (index < size() / 2) // 安插点前的元素少————搬前面的
{
push_front(front());
...
copy(front2, pos1, front1); // 搬元素
}
else // 安插点后的元素少————搬后面的
{
push_back(back());
...
copy_backward(pos, back2, back1);
}
*pos = x_copy; // 安插点设新值
return pos;
}
deque 模拟连续空间（deque iterator 的功能）：
-
-：两个位置之间的距离——前闭后开的元素个数
两个位置之间的距离 = buffer_size * 两个位置之间 buffer 的数量 + 末尾位置到 buffer 前端的长度 + 起始位置到 buffer 末尾的长度
-
++/--：注：下面带参数的是后++（i++）
-
+=/+：self& operator+=(difference_type n) { difference_type offset = n + (cur - first); if (offset >= 0 && offset < difference_type(buffer_size())) // 若+了之后在缓冲区大小范围内 cur += n; // 直接移动迭代器 n 步 else { difference_type node_offset = offset > 0 ? offset / difference_type(buffer_size()) : -difference_type((-offset - 1) / buffer_size()) - 1; // 计算偏移的节点数，offset > 0判断是为了之后的-=/- // 这里(-offset - 1)后除buffer_size()再-1是为了offset==buffer_size()的情况 set_node(node + node_offset); // 调整节点，使迭代器指向正确的节点 cur = first + (offset - node_offset * difference_type(buffer_size())); // 调整迭代器位置 } return *this; } self operator+(difference_type n) const { self tmp = *this; // 复制当前迭代器 return tmp += n; // 返回向前移动 n 步后的迭代器副本 } -
-=/-：// -就等于+负的 self& operator-=(difference_type n) { return *this += -n; } self operator-(difference_type n) const { self tmp = *this; return tmp -= n; } -
[]：reference operator[](difference_type n) const { return *(*this + n); }
GCC4.9下：其实没必要这样
G2.91 允许指派 buffer_size
G4.53 不允许了
3.2.7 stack，queque
测试
stack：
queue：
stack，queue 是通过
push()和pop()来放取元素的，且无iterator 的操作
深度探索
stack 和 queue 内部默认用 deque 来实现，所以有时候不会将这两个认为容器而是一个适配器
-
底层函数可以使用 list 和 deque（deque默认更快）
-
queue 不能用 vector，stack 可以用 vector
-
set，map 都不能用
用时编译器可以通过的，但在具体使用函数时，若遇到底层容器没有这个函数时，就会报错
// queue
template<class T, class Sequence = deque<T>>
class queue
{
...
protected:
Sequence c; // 底层容器
public:
// 都是通过底层容器来实现
bool empty() const { return c.empty(); }
size_type size() const { return c.size(); }
reference front() { return c.front(); }
const_reference front() const { return c.front(); }
reference back() { return c.back(); }
const_reference back() const { return c.back(); }
void push(const value_type& x) { c.push_back(x); }
void pop() { c.pop_front(); }
};
// stack
template<class T, class Sequence = deque<T>>
class stack
{
...
protected:
Sequence c; // 底层容器
public:
// 都是通过底层容器来实现
bool empty() const { return c.empty(); }
size_type size() const { return c.size(); }
reference top() { return c.back(); }
const_reference top() const { return c.back(); }
void push(const value_type& x) { c.push_back(x); }
void pop() { c.pop_back(); }
};
stack，queue 都不允许遍历，也不提供 iterator