STL概況

面試題

STL常用的容器有哪些以及各自的特點是什麼?

1.vector:底層資料結構為陣列 ，支援快速隨機訪問。

2.list:底層資料結構為雙向連結串列，支援快速增刪。

3.deque:底層資料結構為一箇中央控制器和多個緩衝區，支援首尾（中間不能）快速增刪，也支援隨機訪問。

4.stack:底層一般用23實現，封閉頭部即可，不用vector的原因應該是容量大小有限制，擴容耗時

5.queue:底層一般用23實現，封閉頭部即可，不用vector的原因應該是容量大小有限制，擴容耗時（stack和queue其實是介面卡,而不叫容器，因為是對容器的再封裝）

6.priority_queue:的底層資料結構一般為vector為底層容器，堆heap為處理規則來管理底層容器實現

7.
 
set:底層資料結構為紅黑樹，有序，不重複。

8.multiset:底層資料結構為紅黑樹，有序，可重複。

9.map:底層資料結構為紅黑樹，有序，不重複。

10.multimap:底層資料結構為紅黑樹，有序，可重複。

11.hash_set:底層資料結構為hash表，無序，不重複。

12.hash_multiset:底層資料結構為hash表，無序，可重複 。

13.hash_map :底層資料結構為hash表，無序，不重複。

14.hash_multimap:底層資料結構為hash表，無序，可重複。

使用場景

1、如果你需要高效的隨機存取，而不在乎插入和刪除的效率，使用vector

4、如果你要儲存一個數據字典，並要求方便地根據key找value，那麼map是較好的選擇

5、如果你要查詢一個元素是否在某集合記憶體中，則使用set儲存這個集合比較好

vector 和 list 的區別

1）vector， 連續儲存的容器，動態陣列，在堆上分配空間 ；

底層實現：陣列。

如果沒有剩餘空間了，則會重新配置原有元素個數的兩倍空間，然後將原空間元素通過複製的方式初始化新空間，再向新空間增加元素。

適用場景：經常隨機訪問，且不經常對非尾節點進行插入刪除。

2）list，動態連結串列，在堆上分配空間，每插入一個元素都會分配空間，每刪除一個元素都會釋放空間。

底層：雙向連結串列

訪問：隨機訪問效能很差，只能快速訪問頭尾節點。

適用場景：經常插入刪除大量資料

3） vector在中間節點進行插入刪除會導致記憶體拷貝，list不會。

4） vector一次性分配好記憶體，不夠時才進行2倍擴容；list每次插入新節點都會進行記憶體申請。

5） vector擁有一段連續的記憶體空間，因此支援隨機訪問，如果需要高效的隨即訪問，而不在乎插入和刪除的效率，使用vector。

list擁有一段不連續的記憶體空間，如果需要高效的插入和刪除，而不關心隨機訪問，則應使用list。

vector每次insert或erase之後，以前儲存的iterator會不會失效？

理論上會失效，理論上每次insert或者erase之後，所有的迭代器就重新計算的，所以都可以看作會失效，原則上是不能使用過期的記憶體，但是vector一般底層是用陣列實現的，我們仔細考慮陣列的特性，不難得出另一個結論，insert時，假設insert位置在p，分兩種情況：

a) 容器還有空餘空間，不重新分配記憶體，那麼p之前的迭代器都有效，p之後的迭代器都失效

b) 容器重新分配了記憶體，那麼p之後的迭代器都無效，erase時，假設erase位置在p，則p之前的迭代器都有效並且p指向下一個元素位置（如果之前p在尾巴上，則p指向無效尾end），p之後的迭代器都無效

STL對於小記憶體塊請求與釋放的處理

　　STL考慮到小型記憶體區塊的碎片問題，設計了雙層級配置器，第一級配置直接使用malloc()和free()；第二級配置器則視情況採用不同的策略，當配置區大於128bytes時，直接呼叫第一級配置器；當配置區塊小於128bytes時，便不借助第一級配置器，而使用一個memory pool來實現。究竟是使用第一級配置器還是第二級配置器，由一個巨集定義來控制。SGI STL中預設使用第二級配置器。
　　二級配置器會將任何小額區塊的記憶體需求量上調至8的倍數，(例如需求是30bytes,則自動調整為32bytes)，並且在它內部會維護16個free-list， 各自管理大小分別為8， 16， 24，…，128bytes的小額區塊，這樣當有小額記憶體配置需求時，直接從對應的free list中拔出對應大小的記憶體(8的倍數)；當客戶端歸還記憶體時，將根據歸還記憶體塊的大小，將需要歸還的記憶體插入到對應free list的最頂端。
小結：
STL中的記憶體分配器實際上是基於空閒列表(free list)的分配策略，最主要的特點是通過組織16個空閒列表，對小物件的分配做了優化。
1）小物件的快速分配和釋放。當一次性預先分配好一塊固定大小的記憶體池後，對小於128位元組的小塊記憶體分配和釋放的操作只是一些基本的指標操作，相比於直接呼叫malloc/free，開銷小。
2）避免記憶體碎片的產生。零亂的記憶體碎片不僅會浪費記憶體空間，而且會給OS的記憶體管理造成壓力。
3）儘可能最大化記憶體的利用率。當記憶體池尚有的空閒區域不足以分配所需的大小時，分配演算法會將其鏈入到對應的空閒列表中，然後會嘗試從空閒列表中尋找是否有合適大小的區域，
但是，這種記憶體分配器侷限於STL容器中使用，並不適合一個通用的記憶體分配。因為它要求在釋放一個記憶體塊時，必須提供這個記憶體塊的大小，以便確定回收到哪個free list中，而STL容器是知道它所需分配的物件大小的，比如上述：
stl::vectorarray;
array是知道它需要分配的物件大小為sizeof(int)。一個通用的記憶體分配器是不需要知道待釋放記憶體的大小的，類似於free(p)。

map 和 set 有什麼區別

1）map和set都是C++的關聯容器，其底層實現都是紅黑樹（RB-Tree）。

2）map中的元素是key-value（關鍵字—值）對：關鍵字起到索引的作用，值則表示與索引相關聯的資料；Set與之相對就是關鍵字的簡單集合，set中每個元素只包含一個關鍵字。

3）set的迭代器是const的，不允許修改元素的值；map允許修改value，但不允許修改key。

4） map支援下標操作，set不支援下標操作。map可以用key做下標。

unordered_map和map

內部實現機理

• map： map內部實現了一個紅黑樹，該結構具有自動排序的功能，因此map內部的所有元素都是有序的，紅黑樹的每一個節點都代表著map的一個元素，因此，對於map進行的查詢，刪除，新增等一系列的操作都相當於是對紅黑樹進行這樣的操作，故紅黑樹的效率決定了map的效率。
• unordered_map: unordered_map內部實現了一個雜湊表，因此其元素的排列順序是雜亂的，無序的

優缺點以及適用處

map優點：

• 有序性，這是map結構最大的優點，其元素的有序性在很多應用中都會簡化很多的操作
• 紅黑樹，內部實現一個紅黑書使得map的很多操作在的時間複雜度下就可以實現，因此效率非常的高
• 對於那些有順序要求的問題，用map會更高效一些

map 缺點： 空間佔用率高，因為map內部實現了紅黑樹，雖然提高了執行效率，但是因為每一個節點都需要額外儲存父節點，孩子節點以及紅/黑性質，使得每一個節點都佔用大量的空間

unordered_map優點：

因為內部實現了雜湊表，因此其查詢速度非常的快

unordered_map 缺點：
對於查詢問題，unordered_map會更加高效一些，因此遇到查詢問題，常會考慮一下用unordered_map，雜湊表的建立比較耗費時間

STL 中迭代器的作用，有指標為何還要迭代器

1） Iterator（迭代器）模式又稱Cursor（遊標）模式，用於提供一種方法順序訪問一個聚合物件中各個元素, 而又不需暴露該物件的內部表示。

2） 迭代器不是指標，是類模板，表現的像指標。他只是模擬了指標的一些功能，通過過載了指標的一些操作符，->、*、++、--等，相當於一種智慧指標。

3） 迭代器產生原因：Iterator類的訪問方式就是把不同集合類的訪問邏輯抽象出來，使得不用暴露集合內部的結構而達到迴圈遍歷集合的效果。

STL 迭代器是怎麼刪除元素的呢

1） 對於序列容器vector,deque來說，使用erase(itertor)後，後邊的每個元素的迭代器都會失效，但是後邊每個元素都會往前移動一個位置，但是erase會返回下一個有效的迭代器；

2） 對於關聯容器map set來說，使用了erase(iterator)後，當前元素的迭代器失效，但是其結構是紅黑樹，刪除當前元素的，不會影響到下一個元素的迭代器，所以在呼叫erase之前，記錄下一個元素的迭代器即可。

3） 對於list來說，它使用了不連續分配的記憶體，並且它的erase方法也會返回下一個有效的iterator。

平衡二叉樹（AVL樹）和紅黑樹

1）平衡二叉樹又稱為AVL樹，是一種特殊的二叉排序樹。其左右子樹都是平衡二叉樹，且左右子樹高度之差的絕對值不超過1。

2）紅黑樹是一種二叉查詢樹，但在每個節點增加一個儲存位表示節點的顏色，可以是紅或黑（非紅即黑），紅黑樹是一種弱平衡二叉樹，相對於要求嚴格的AVL樹來說，它的旋轉次數少，所以對於搜尋，插入，刪除操作較多的情況下，通常使用紅黑樹。

3）所以紅黑樹在查詢，插入刪除的效能都是O(logn)，且效能穩定，所以STL裡面很多結構包括map底層實現都是使用的紅黑樹。

雜湊表（hash表）

雜湊表的實現主要包括構造雜湊和處理雜湊衝突：構造雜湊，主要包括直接地址法，除留餘數法。

處理雜湊衝突：當雜湊表關鍵字集合很大時，關鍵字值不同的元素可能會對映到雜湊表的同一地址上，這樣的現象稱為雜湊衝突。常用的解決方法有：

1） 開放定址法，衝突時，用某種方法繼續探測雜湊表中的其他儲存單元，直到找到空位置為止。（如，線性探測，平方探測）

2） 再雜湊法：當發生衝突時，用另一個雜湊函式計算地址值，直到衝突不再發生。

3） 鏈地址法：將所有雜湊值相同的key通過連結串列儲存，key按順序插入連結串列中。

參考

Lucky&C++面試之STL

STL筆試面試題總結（乾貨）