C++ STL容器详解

一、详解

1. 概述

C++ 标准库提供了多种容器类，用于存储和管理数据。这些容器类分为两大类：序列容器和关联容器。

2. 序列容器

序列容器中的元素是按特定顺序排列的，可以通过索引访问。主要的序列容器包括：

• std::vector
  • 动态数组，支持随机访问。
  • 插入和删除操作在末尾高效，在其他位置效率较低。
• std::list
  • 双向链表，支持高效的插入和删除操作。
  • 不支持随机访问。
• std::deque
  • 双端队列，支持高效的头部和尾部插入/删除操作。
  • 支持随机访问。
• std::array
  • 固定大小的数组，支持随机访问。
  • 性能优于 std::vector，但大小不可变。
• std::forward_list
  • 单向链表，支持高效的前向遍历和插入操作。
  • 不支持双向遍历。

3. 关联容器

关联容器中的元素是根据键值进行排序或哈希的，不保证元素的物理顺序。主要的关联容器包括：

• std::set 和 std::multiset
  • 基于红黑树实现，元素唯一（std::set）或允许重复（std::multiset）。
  • 支持对数时间复杂度的查找、插入和删除操作。
• std::map 和 std::multimap
  • 基于红黑树实现，键值对存储，键唯一（std::map）或允许重复（std::multimap）。
  • 支持对数时间复杂度的查找、插入和删除操作。
• std::unordered_set 和 std::unordered_multiset
  • 基于哈希表实现，元素唯一（std::unordered_set）或允许重复（std::unordered_multiset）。
  • 支持常数时间复杂度的平均查找、插入和删除操作。
• std::unordered_map 和 std::unordered_multimap
  • 基于哈希表实现，键值对存储，键唯一（std::unordered_map）或允许重复（std::unordered_multimap）。
  • 支持常数时间复杂度的平均查找、插入和删除操作。

4. 容器适配器

容器适配器基于其他容器实现，提供特定的功能接口。主要的容器适配器包括：

• std::stack
  • 后进先出（LIFO）的数据结构，基于 std::deque 或 std::vector 实现。
• std::queue
  • 先进先出（FIFO）的数据结构，基于 std::deque 实现。
• std::priority_queue
  • 堆实现的优先队列，基于 std::vector 实现。

5. 总结

选择合适的容器类取决于具体的应用场景和性能需求。以下是一些选择建议：

• 需要随机访问且频繁增删操作时，使用 std::vector 或 std::deque。
• 需要高效插入和删除操作时，使用 std::list 或 std::forward_list。
• 需要有序集合时，使用 std::set 或 std::map。
• 需要快速查找时，使用 std::unordered_set 或 std::unordered_map。
• 需要栈或队列功能时，使用 std::stack 或 std::queue。

二、区别和联系

1. vector：是一个动态数组，存储在连续的内存空间中，支持随机访问，插入和删除操作相对快速，适用于需要频繁访问数据的场景。

2. list：是一个双向链表，每个元素存储在一个独立的节点中，插入和删除操作效率较高，但随机访问性能较差，适用于需要频繁插入和删除元素的场景。

3. set：是一个有序且不重复的集合，基于平衡二叉树实现，查找和插入操作的时间复杂度为 O(log n)，适用于需要快速查找元素且元素不能重复的场景。

4. map：是一种由键值对组成的集合，每个键对应一个值，基于平衡二叉树实现，查找和插入操作的时间复杂度为 O(log n)，适用于需要根据键快速查找值的场景。

这些容器之间可以相互转换或组合使用，例如可以将 vector 中的数据复制到 list 中进行插入和删除操作，也可以使用 set 或 map 来实现对数据的快速查找。在选择容器时，需要根据具体的需求和性能要求来合理选择适合的容器类型。