C++ STL与Qt容器对比

〇、前言

• 日常开发中，经常需要使用到一些数据结构去存放数据，纯C++开发时，只需要根据自己的需求选择合适的数据结构即可。但对于Qt/C++混编的场景，选择哪一家的数据结构就成为了一个问题，所以为了解决这个疑惑，便写篇博文详细对比下二者的差异以便后续参考。

一、数据结构对比

释义	Qt	C++ STL
字符串	QString	string
封装了索引的双链表	QList	×
双链表	QLinkedList	list
动态数组	QVector	vector
栈	QStack	stack
队列	QQueue	queue
双端队列	×	deque
优先队列	×	priority_queue
集合	QSet	set
字典/映射	QMap	map
键值可重复字典/映射	QMultiMap	multimap
哈希字典/映射	QHash	unordered_map
键值可重复哈希字典/映射	QMultiHash	unordered_multimap
缓存	QCache	×
连续缓存	QContiguousCache	×

1.1、QCache与QContiguousCache

• 图形化界面开发时，一个不可忽视的问题就是内存优化，比如对于数量超大的列表如何加载，一个显然的优化思路是只展示用户可以看到的数据，如果超出显示区域就及时收回内存。
• 那么基于这样的要求，QCache也就应运而生了，它提供了基于键值对的内存管理方式，当添加进一个元素后，QCache将自动获取其内存管理权限，并在需要的时候自动释放他们来为新插入的对象腾出空间，模板原型如下：

template 
class QCache

• QContiguousCache顾名思义，是一块连续的缓存空间，即缓存中的元素是连续的。这样做的优点是可以消耗比 QCache 更少的内存和处理器周期。

1.2、deque与QList

• deque的一个优势就是在于高效的头插和尾插，其内部实现机理是采用多段连续的数组进行“拼凑”，营造出整体内存空间连续的假象，从而对外提供下标随机访问。
• Qt没有提供双端队列类型，但是有实现类似功能的数据结构QList，它也有高效的头插和尾插操作。Qt官网文档也建议QList应是默认的第一选择。

1.3、QList、QVector、QLinkedList

• 需要注意的是QList其实不是链表，是优化过的vector，官方的形容是array list。它的存储方式是分配连续的node，每个node的数据成员不大于一个指针大小，所以对于int、char等基础类型，它是直接存储（所以按照内存对齐的话，应该会内存耗损更大），对于Class、Struct等类型，它是存储对象指针。

• QList的实现模式，优点主要在于快速插入。因为其元素大小不会超过sizeof(void*)，所以插入时只需要移动指针，而非如vector那样移动对象。并且，由于QList存储的是void*，所以可以简单粗暴的直接用realloc()来扩容。

• QList的增长策略是双向增长，所以对prepend支持比vector好得多，使用灵活性高于Vector和LinkedList。缺点是每次存入对象时，需要构造Node对象，带来额外的堆开销。

• 官方文档给出的复杂度对比如下：

  	Index lookup	Insertion	Prepending	Appending
  QLinkedList	O(n)	O(1)	O(1)	O(1)
  QList	O(1)	O(n)	Amort. O(1)	Amort. O(1)
  QVector	O(1)	O(n)	O(n)	Amort. O(1)

二、实现方式

• Qt的容器是基于C++的纯模板和继承实现，比如对于队列和栈这两种数据结构，实际上还是基于QList与QVector。这样做可以大大简化代码，但同时也意味耦合性更强。

class QQueue : public QList
class QStack : public QVector

• 一个简单的例子是使用QStack时甚至可以两端同时弹出，这显然不符合栈这一数据结构先进后出的设计理念。

QStack s;
s.pop_front();
s.pop_back();

• 在这一点上STL的设计则要更合理一些，同样是队列与栈的继承，STL的实现源码如下：

template >
	class queue
	{	// FIFO queue implemented with a container
        void push(const value_type& _Val)
		{	// insert element at beginning
			c.push_back(_Val);
		}

		void pop()
		{	// erase element at end
			c.pop_front();
		}
    protected:
		_Container c;	// the underlying container
	};

template >
	class stack
	{	// LIFO queue implemented with a container
        void push(const value_type& _Val)
		{	// insert element at end
		c.push_back(_Val);
		}

		void pop()
		{	// erase last element
		c.pop_back();
		}
    protected:
		_Container c;	// the underlying container
	};

• 可以看到，在对应的容器内部实际上使用了另一个模板_Container作为成员变量，而对外接口则都是进行了封装后的产物。这样不但对数据结构的合理性做出了保证，而且同时将内部容器也作为一个模板参数对外提供，这样可以更加灵活的适配多种需求。

std::stack > ss;
ss.pop();

三、接口功能性

• 在对外接口这一层面，Qt的容器可谓完爆STL，Qt的接口不光功能全面，而且还提供了许多类型转换的接口。
• 比如通过如下的接口就可以实现获取所有key或value的列表，虽然内部逻辑就是简单的创建+拷贝，但为使用者却提供了很大便利。

template 
Q_OUTOFLINE_TEMPLATE const Key QMap::key(const T &avalue, const Key &defaultKey) const
{
    const_iterator i = begin();
    while (i != end()) {
        if (i.value() == avalue)
            return i.key();
        ++i;
    }

    return defaultKey;
}

template 
Q_OUTOFLINE_TEMPLATE QList QMap::values() const
{
    QList res;
    res.reserve(size());
    const_iterator i = begin();
    while (i != end()) {
        res.append(i.value());
        ++i;
    }
    return res;
}

• 但同时也因为Qt接口的功能性强大，许多不规范的写法也因此诞生，比较典型的写法如下，先查询一次后再获取下标，实际上可以直接通过indexOf的返回值进行判断。

/* QList的contains和indexOf连用 */
if (calibSavedList_.contains(pSelectedButton) && i == calibSavedList_.indexOf(pSelectedButton))

• 相较于Qt容器接口的完备性，C++出于对性能的洁癖要求，很多复杂度很高的接口并不会提供，比如头部数据的插入与弹出。

四、迭代器访问方式

• 二者都支持迭代器的访问方式，但Qt提供了Java和STL两种风格的迭代器。
• Java风格

Containers	Read-only iterator	Read-write iterator
QList, QQueue	QListIterator	QMutableListIterator
QLinkedList	QLinkedListIterator	QMutableLinkedListIterator
QVector, QStack	QVectorIterator	QMutableVectorIterator
QSet	QSetIterator	QMutableSetIterator
QMap, QMultiMap	QMapIterator	QMutableMapIterator
QHash, QMultiHash	QHashIterator	QMutableHashIterator

• STL风格

Containers	Read-only iterator	Read-write iterator
QList, QQueue	QList::const_iterator	QList::iterator
QLinkedList	QLinkedList::const_iterator	QLinkedList::iterator
QVector, QStack	QVector::const_iterator	QVector::iterator
QSet	QSet::const_iterator	QSet::iterator
QMap, QMultiMap	QMap::const_iterator	QMap::iterator
QHash, QMultiHash	QHash::const_iterator	QHash::iterator

五、结论

• 参考博文①和博文②中的测试结论，一般情况下Qt容器的效率和C++ STL容器的效率差不多。所以处于性能方面的考虑几乎可以忽略不计。

• 在关心数据结构封装性的情况下，采用C++ STL中的容器。

• 在关心特定需求场景时，STL中的容器更加全面（如优先队列、维护有序性的红黑树集合）

• 在关心数据结构本身接口的扩展性和易用性时，采用Qt的容器。

• 需要使用Qt的线性容器时，除非有频繁的列表中间插入的需求（此时选用QLinkedList），否则一般无脑选择QList。

六、参考资料

QList Class | Qt Core 5.15.10

Qt 中的顺序容器：QList、QVector - 知乎 (zhihu.com)

Qt容器类——1. QList类、QLinkedList类和QVector类 - 零分的借口 - 博客园 (cnblogs.com)

C++之STL（标准模板库）介绍_软件开发技术爱好者的博客-CSDN博客_c++ stl库

性能特性测试系列1——STL容器，QT容器性能相关比较和总结_破晓前的彷徨的博客-CSDN博客_qt容器效率