标准C++中的STL容器类简介

SGI -- Silicon Graphics[Computer System] Inc.硅图[计算机系统]公司.

STL -- Standard Template Library 标准模板库。

 

容器的概念

所谓STL容器，即是将最常运用的一些数据结构（data structures）实现出来。

容器是指容纳特定类型对象的集合。根据数据在容器中排列的特性，容器可概分为序列式（sequence）和关联式（associative）两种。

迭代器是一种检查容器内元素并遍历元素的数据类型。它提供类似指针的功能，对容器的内容进行走访。

#include<iterator>

例如：

std::vector<int> IntVector;

std::vector<int>::iterator first=IntVector.begin();

// begin()得到指向vector开头的Iterator,*first得到开头一个元素的值

std::vector<int>::iterator last=IntVector.end();

// end()得到指向vector结尾的Iterator,*last得到最后一个元素的值

 

序列式容器

所谓序列式容器，其中的元素都可序（ordered），但未必有序（sorted）。数组为C++语言内置的序列容器，STL另外提供vector、list、deque（double-ended queue）。它们的差别在于访问元素的方式，以及添加或删除元素相关操作的运行代价。

标准库还提供了三种容器适配器（adapter），所谓适配器是根据原始的容器类型所提供的操作，通过定义新的操作接口，来适应基础的容器类型。顺序容器适配器包括stack、queue、priority_queue等序列式容器。其中stack和queue由于只是将deque改头换面而成，技术上被归类为一种配接器（adapter），priority_queue是有优先级管理的队列。

 

一. Vector

1.vector的基本概念

vector是标准C++建议替代C数组的动态数组模型，它维护的是一个连续线性空间。

vector所采用的数据结构非常简单：线性连续空间。它以两个迭代器start和finish分别指向配置得到的连续空间中目前已被使用的范围，并以迭代器end_of_storage指向整块连续空间（含备用空间）的尾端。

vector的实现技术，关键在于其对大小的控制以及重新分配时的数据移动效率。一旦vector原有空间用完，如果客户端每新增一个元素，vector内部就只扩充一个元素的空间，实为不智。因为所谓扩充控件（不论多大），是“配置新空间（malloc）/拷贝移动数据（memcpy）/释放旧空间（free）”的大工程，时间成本很高，应该采用某种未雨绸缪的空间配置策略。

注意，所谓动态增加大小，并不是在原空间之后接续新空间（因为无法保证之后尚有可供配置的空间），而是每次再分配原大小两倍的内存空间。因此，对vector的任何操作，一旦引起控件重新配置，指向原vector的所有迭代器就都失效了。

由于vector维护的是一个连续线性空间，因此vector迭代器具备普通指针的功能，支持随机存取，即vector提供的是Random Access Iterators。

2.向量类模板std::vector的成员函数

#include<vector>

std::vector<type> vec;

std::vector<type> vec(size);

std::vector<type> vec(size,value);

std::vector<type> vec(myvector);

std::vector<type> vec(first,last);

Operators：==、!=、<=、>=、<、>、[]

assign(first,last)：用迭代器first,last所指定的元素取代向量元素

assign(num,val)：用val的num份副本取代向量元素

at(n)：等价于[]运算符，返回向量中位置n的元素，因其有越界检查，故比[]索引访问安全

front()：返回向量中第一个元素的引用

back()：返回向量中最后一个元素的引用

begin()：返回向量中第一个元素的迭代器

end()：返回向量中最后一个元素的下一个迭代器（仅作结束游标，不可解引用）

max_size()：返回向量类型的最大容量（2^30-1=0x3FFFFFFF）

capacity()：返回向量当前开辟的空间大小（<= max_size，与向量的动态内存分配策略相关）

size()：返回向量中现有元素的个数（<=capacity）

clear()：删除向量中所有元素

empty()：如果向量为空，返回真

erase(start,end)：删除迭代器start end所指定范围内的元素

erase(i)：删除迭代器i所指向的元素

    erase()返回指向删除的最后一个元素的下一位置的迭代器

insert(i,x)；把x插入到迭代器i所指定的位置之前

insert(i,n,x)：把x的n份副本插入到迭代器i所指定的位置之前

insert(i,start,end)：把迭代器start和end所指定的范围内的值插入到迭代器i所指定的位置之前

push_back(x)：把x推入（插入）到向量的尾部

pop_back()：弹出（删除）向量最后一个元素

rbegin()：返回一个反向迭代器，该迭代器指向的元素越过了向量中的最后一个元素

rend()：返回一个反向迭代器，该迭代器指向向量中第一个元素

reverse()：反转元素顺序

resize(n,x)：把向量的大小改为n,新元素的初值赋为x

swap(vectorref)：交换2个向量的内容

3.动态字符串类std::string

string是标准C++建议替代C字符串（以零结束的字符数组）的动态字符串模型，可以简单的看做vector<char>。

#include<string>

std::string str1;

std::string str3(str2);

std::string str2("this is a string");

以下未列出与vector相同的通用操作。

Operators：+、+=

length()：和size()函数功能相同

data()：取得字符串指针

c_str()：取得C风格字符串指针

c_str()的流程是先调用terminate()，然后再返回data()。因此如果你对效率要求比较高，而且你的处理又不一定需要以/0的方式结束，最好选择data()。但是对于一般的C函数中，需要以const char*为输入参数，要使用c_str()函数。

operator=：赋值操作符

append()：追加字符串

replace()：替换字符

copy()：拷贝自己的num个字符到str中（从索引index开始）。

find()：在字符串中查找指定字符,返回基于0的索引号

rfind()：反向查找

find_first_of()：查找包含子串中的任何字符，返回第一个位置

find_first_not_of()：查找不包含子串中的任何字符，返回第一个位置

find_last_of()：查找包含子串中的任何字符，返回最后一个位置

find_last_not_of()：查找不包含子串中的任何字符，返回最后一个位置

substr(n1,len)：得到字符串从n1开始的长度为len的子串

比较字符串(支持所有的关系运算符)

compare 比较字符串

operator+  字符串衔接

operator+= 增加操作符

operator== 判断是否相等

operator!= 判断是否不等于

operator< 判断是否小于

operator>> 从输入流中读入字符串

operator<< 字符串写入输出流

getline 从输入流中读入一行

 

二.list

1.list的基本概念

相对于vector的连续线性空间，list就显得复杂许多，与向量(vector)相比, 它允许快速的插入和删除，且每次插入或删除一个元素，就配置或释放一个元素空间。因此，list对于空间的运用绝对的精准，一点也不浪费。而且，对于任何位置的元素插入或元素移除，list永远是常数时间。

list不再能够像vector那样以普通指针作为迭代器，因为其节点不保证在储存空间中连续存在。list迭代器必须有能力指向list的节点，并有能力进行正确的递增、递减、取值、成员存取等操作。所谓“list迭代器正确的递增、递减、取值、成员取用”操作是指，递增时指向下一个节点，递减时指向上一个节点，取值时取的是节点的数据值，成员取用时取用的是节点的成员。

list不仅是一个双向链表，而其还是一个环状双向链表。所以它只需要一个指针，便可以完整实现整个链表。由于list是一个双向链表（double linked-list），迭代器必须具备前移、后移的能力，所以list提供的是Bidirectional Iterators。

list有一个重要性质：插入操作（insert）和合并操作（splice）都不会造成原有的list迭代器失效。这在vector是不成立的，因为vector的插入操作可能造成记忆体重新配置，导致原有的迭代器全部失效。甚至list的元素删除操作（erase）也只有“指向被删除元素”的那个迭代器失效，其他迭代器不受任何影响。

2.链表类模板std::list成员函数

#include<list>

std::list<type> lst;

std::list<type> lst(size);

std::list<type> lst(size,value);

std::list<type> lst(mylist);

std::list<type> lst(first,last);

以下未列出与vector相同的通用操作。

push_front(x)：把元素x推入（插入）到链表头部

pop_front()：弹出（删除）链表首元素

merge(listref)：把listref所引用的链表中的所有元素插入到链表中，可指定合并规则

splice()：把lst连接到pos的位置

remove(val)：删除链表中所有值为val的元素

remove_if(pred)：删除链表中谓词pred为真的元素

（谓词即为元素存储和检索的描述，如std::less<>，std::greater<>那么就按降序/升序排列，你也可以定义自己的谓词）

sort()：根据默认的谓词对链表排序

sort(pred)：根据给定的谓词对链表排序

unique()：删除链表中所有重复的元素

unique(pred)：根据谓词pred删除所有重复的元素，使链表中没有重复元素

注意：vector和deque支持随机访问，而list不支持随机访问，因此不支持[]访问！

 

三.deque

1.deque的基本概念

vector是单向开口的连续线性空间，deque则是以中双向开口的连续线性空间。所谓双向开口，意思是可以在头尾两端分别做元素的插入和删除操作。从技术的角度而言，vector当然也可以在头尾两端进行操作，但是其头部操作效率奇差、令人无法接受。

deque和vector的最大差异，一在于deque允许于常数时间内对头端进行元素的插入或移除操作，二在于deque没有所谓容量（capacity）观念，因为它是动态地以分段连续空间组合而成，随时可以增加一段新的空间并链接起来。换句话说，像vector那样“因旧空间不足而重新配置一块更大空间，然后复制元素，再释放旧空间”这样的事情在deque中是不会发生的。也因此，deque没有必要提供所谓的空间预留（reserved）功能。

虽然deque也提供Random Access Iterator，但它的迭代器并不是普通指针，其复杂度和vector不可同日而语，这当然涉及到各个运算层面。因此，除非必要，我们应尽可能选择使用vector而非deque。对deque进行的排序操作，为了最高效率，可将deque先完整复制到一个vector身上，将vector排序后（利用STL的sort算法），再复制回deque。

deque是由一段一段的定量连续空间构成。一旦有必要在deque的前端或尾端增加新空间，便配置一段定量的连续空间，串接在整个deque的头端或尾端。deque的最大任务，便是在这些分段的定量连续空间上，维护其整体连续的假象，并提供随机存取的接口。避开了“重新配置、复制、释放”的轮回，代价则是复杂的迭代器架构。

2.双端队列类模板std::deque成员函数

#include<deque>

std::deque<type> deq;

std::deque<type> deq(size);

std::deque<type> deq(size,value);

std::deque<type> deq(mydeque);

std::deque<type> deq(first,last);

其成员函数如下：

Operators：[]用来访问双向队列中单个的元素

front()：返回第一个元素的引用

push_front(x)：把元素x推入（插入）到双向队列的头部

pop_front()：弹出（删除）双向队列的第一个元素

back()：返回最后一个元素的引用

push_back(x)：把元素x推入（插入）到双向队列的尾部

 

pop_back()：弹出（删除）双向队列的最后一个元素

 

四.基于deque的顺序容器适配器stack、queue（priority_queue）

stack

1.stack的基本概念

stack是一种后进先出（First In Last Out，FILO）的数据结构，它只有一个出口。stack允许新增元素、移除元素、取得最顶端元素。但除了最顶端外，没有任何其他方法可以存取stack的其他元素，换言之，stack不允许随机访问。

STL以deque作为stack的底层结构，对deque封闭期头端开口，稍作修改便形成了stack。   

将元素插入stack的操作称为push，将元素弹出stack的操作称为pop。stack所有元素的进出都必须符合“后进先出”的条件，只有stack顶端的元素，才有机会被外界取用。stack不提供走访功能，也不提供迭代器。

2.容器适配器堆栈类std::stack成员函数

#include<stack>

stack实现后进先出的操作

std::stack<type,container> stk;

type为堆栈操作的数据类型

container为实现堆栈所用的容器类型，默认基于deque，还可以为std::vector和std::list

例如std::stack<int,std::list<int>> IntStack;

其成员函数如下：

top()：返回顶端元素的引用

push(x)：将元素压入栈（顶）

pop()：弹出（删除）顶端元素

 

queue

1.queue的基本概念

queue是一种先进先出（First In First Out，FIFO）的数据结构，它有两个出口。queue允许新增元素、移除元素、从最底端加入元素、取得最顶端元素。但除了最底端可以加入、最顶端可以取出，没有任何其他方法可以存取queue的其他元素。换言之，queue不支持随机访问。

STL以deque作为queue的底层结构，对deque封闭其底端的出口和前端的入口，稍作修改便形成了queue。

2.容器适配器队列类std::queue成员函数

#include<queue>

queue实现先进先出的操作

std::queue<type,container> que;

type为队列操作的数据类型

container为实现队列所用的容器类型，只能为提供了push_front操作的std::deque或std::list，默认基于std::deque

其成员函数如下：

front()：返回队首元素的引用

back()：返回队尾元素的引用

push(x)：把元素x推入（插入）到队尾

pop()：队首元素出列（弹出（删除）队首元素）

 

priority_queue

1.priority_queue的基本概念

priority_queue为优先级队列，它允许用户为队列中存储的元素设置优先级。这种队列不是直接将新元素放置在队列尾部，而是放置在比它优先级低的元素前面，即提供了一种插队策略。标准库默认使用<操作符来确定他们之间的优先级关系。即权重大的排在队首。

使用priority_queue时，包含<queue>文件。

2.容器适配器队列类std::priority_queue成员函数

#include<queue>

priority_queue实现先进先出的操作

std::priority_queue<type, container, comp> pri_que;

type为队列操作的数据类型

container为实现队列所用的容器类型，可以为std::vector,std::deque，默认基于deque

comp为排队策略，默认为std::less<>，即插到小于它的元素前

例如std::priority_queue<int,std::vector<int>,std::greater<int> > IntPriQue;

其成员函数如下：

top()：返回队首（优先级最高）元素的引用

push(x)：将元素推入（按插队策略插排）队列（尾部）

pop()：弹出（删除）队首（优先级最高）元素

 

关联式容器

所谓关联式容器，概念上类似关联式数据库（实际上则简单许多）：每项数据（元素）包含一个键值（key）和一个实值（value）。当元素被插入到关联式容器中时，容器内部数据结构（可能是RB-tree，也可能是hash-table）便依照其键值大小，以某种特定规则将这个元素放置于适当位置。关联式容器没有所谓头尾（只有最大元素和最小元素），所以不会有push_back()，push_front()，pop_back()，pop_front()，begin()，end()这样的操作。

一般而言，关联式容器的内部结构是一个balanced binary tree（平衡二叉树），以便获得良好的搜索效率。balanced binary tree有很多种类型，包括AVL-tree、RB-tree、AA-tree，其中广泛运用于STL的是RB-tree（红黑树）。

标准的STL关联式容器分为set（集合）和map（映射类）两大类，以及这两大类的衍生体multiset（多键集合）和multimap（多键映射表）。这些容器的底层机制均以RB-tree完成（红黑树）。RB-tree也是一个独立容器，但并不开放给外界使用。

此外，SGI STL还提供了一个不在标准规格之列的关联式容器：hash table(散列表，哈希表)，以及以此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）。

 

map

关联式容器std::map成员函数

#include<map>

map建立key-value映射

std::map<key, value> mp;

std::map<key, value, comp> mp;

key为键值

value为映射值

comp可选，为键值对存放策略，例如可为std::less<>，键值映射对将按键值从小到大存储

其成员函数如下：

count()：返回map中键值等于key的元素的个数

equal_range()：函数返回两个迭代器——一个指向第一个键值为key的元素，另一个指向最后一个键值为key的元素

erase(i)：删除迭代器所指位置的元素（键值对）

lower_bound()：返回一个迭代器，指向map中键值>=key的第一个元素

upper_bound()：函数返回一个迭代器，指向map中键值>key的第一个元素

find(key)：返回键值为key的键值对迭代器，如果没有该映射则返回结束游标end()

注意map的[]操作符，当试图对于不存在的key进行引用时，将新建键值对，值为空。

 

通用算法(对以上STL均适用)

#include<algorithm>

1．非修正序列算法：

2．修正序列算法：

3．排序算法：

4．数值算法：

 

参考：

《Standard C++ Bible》

《The C++ Standard Library》

《The annotated STL sources》

《C++模板的编译问题》