c++ STL各容器介紹
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來源：知乎
一、什麼是STL?
1、STL（Standard Template Library），即標準模板庫，是一個高效的C++程式庫，包含了諸多常用的基本資料結構和基本演算法。為廣大C++程式設計師們提供了一個可擴充套件的應用框架，高度體現了軟體的可複用性。
2、從邏輯層次來看，在STL中體現了泛型化程式設計的思想（generic programming）。在這種思想裡，大部分基本演算法被抽象，被泛化，獨立於與之對應的資料結構，用於以相同或相近的方式處理各種不同情形。
3、從實現層次看，整個STL是以一種型別引數化（type parameterized）的方式實現的，基於模板（template）。
STL有六大元件，但主要包含容器、迭代器和演算法三個部分。
- 容器（Containers）：用來管理某類物件的集合。每一種容器都有其優點和缺點，所以，為了應付程式中的不同需求，STL 準備了七種基本容器型別。
- 迭代器（Iterators）：用來在一個物件集合的元素上進行遍歷動作。這個物件集合或許是個容器，或許是容器的一部分。每一種容器都提供了自己的迭代器，而這些迭代器瞭解該種容器的內部結構。
- 演算法（Algorithms）：用來處理物件集合中的元素，比如 Sort，Search，Copy，Erase 那些元素。通過迭代器的協助，我們只需撰寫一次演算法，就可以將它應用於任意容器之上，這是因為所有容器的迭代器都提供一致的介面。
STL 的基本觀念就是將資料和操作分離。資料由容器進行管理，操作則由演算法進行，而迭代器在兩者之間充當粘合劑，使任何演算法都可以和任何容器互動運作。這一篇部落格暫時只介紹容器，下一篇介紹迭代器。
二、容器（Containers）
容器用來管理某類物件。為了應付程式中的不同需求，STL 準備了兩類共七種基本容器型別：
- 序列式容器（Sequence containers），此為可序群集，其中每個元素均有固定位置—取決於插入時機和地點，和元素值無關。如果你以追加方式對一個群集插入六個元素，它們的排列次序將和插入次序一致。STL提供了三個序列式容器：向量（vector）、雙端佇列（deque）、列表（list），此外你也可以把 string 和 array 當做一種序列式容器。
- 關聯式容器（Associative containers），此為已序群集，元素位置取決於特定的排序準則以及元素值，和插入次序無關。如果你將六個元素置入這樣的群集中，它們的位置取決於元素值，和插入次序無關。STL提供了四個關聯式容器：集合（set）、多重集合（multiset）、對映（map）和多重對映（multimap）。
示意圖如下圖所示：
2.1 vector
vector（向量）: 是一種序列式容器，事實上和陣列差不多，但它比陣列更優越。一般來說陣列不能動態拓展，因此在程式執行的時候不是浪費記憶體，就是造成越界。而 vector 正好彌補了這個缺陷，它的特徵是相當於可拓展的陣列（動態陣列），它的隨機訪問快，在中間插入和刪除慢，但在末端插入和刪除快。
特點
- 擁有一段連續的記憶體空間，並且起始地址不變，因此它能非常好的支援隨機存取
例子
以下例子針對整型定義了一個 vector，插入 6 個元素，然後列印所有元素：
#include <iostream>
#include <vector>
using namespace std;
int main(int argc, char* argv[])
{
vector<int> vecTemp;
for (int i = 0; i<6; i++)
vecTemp.push_back(i);
for (int i = 0; i<vecTemp.size(); i++)
cout << vecTemp[i] <<" "; // 輸出：0 1 2 3 4 5
return 0;
}
作者：luckyum
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2.2 deque
deque（double-ended queue）是由一段一段的定量連續空間構成。一旦要在 deque 的前端和尾端增加新空間，便配置一段定量連續空間，串在整個 deque 的頭端或尾端。因此不論在尾部或頭部安插元素都十分迅速。 在中間部分安插元素則比較費時，因為必須移動其它元素。deque 的最大任務就是在這些分段的連續空間上，維護其整體連續的假象，並提供隨機存取的介面。
特點
- 按頁或塊來分配儲存器的，每頁包含固定數目的元素。
- deque 是 list 和 vector 的折中方案。兼有 list 的優點，也有vector 隨機線性訪問效率高的優點。
優缺點和適用場景
優點：支援隨機訪問，即 [] 操作和 .at()，所以查詢效率高；可在雙端進行 pop，push。
缺點：不適合中間插入刪除操作；佔用記憶體多。
適用場景：適用於既要頻繁隨機存取，又要關心兩端資料的插入與刪除的場景。
例子
以下例子聲明瞭一個浮點型別的 deque，並在容器尾部插入 6 個元素，最後打印出所有元素。
#include <iostream>
#include <deque>
using namespace std;
int main(int argc, char* argv[])
{
deque<float> dequeTemp;
for (int i = 0; i<6; i++)
dequeTemp.push_back(i);
for (int i = 0; i<dequeTemp.size(); i++)
cout << dequeTemp[i] << " "; // 輸出：0 1 2 3 4 5
return 0;
}
2.3 list
List 由雙向連結串列（doubly linked list）實現而成，元素也存放在堆中，每個元素都是放在一塊記憶體中，他的記憶體空間可以是不連續的，通過指標來進行資料的訪問，這個特點使得它的隨機存取變得非常沒有效率，因此它沒有提供 [] 操作符的過載。但是由於連結串列的特點，它可以很有效率的支援任意地方的插入和刪除操作。
特點
- 沒有空間預留習慣，所以每分配一個元素都會從記憶體中分配，每刪除一個元素都會釋放它佔用的記憶體。
- 在哪裡新增刪除元素效能都很高，不需要移動記憶體，當然也不需要對每個元素都進行構造與析構了，所以常用來做隨機插入和刪除操作容器。
- 訪問開始和最後兩個元素最快，其他元素的訪問時間一樣。
優缺點和適用場景
優點：記憶體不連續，動態操作，可在任意位置插入或刪除且效率高。
缺點：不支援隨機訪問。
適用場景：適用於經常進行插入和刪除操作並且不經常隨機訪問的場景。
例子
以下例子產生一個空 list，準備放置字元，然後將 'a' 至 'z' 的所有字元插入其中，利用迴圈每次列印並移除集合的第一個元素，從而打印出所有元素：
#include <iostream>
#include <list>
using namespace std;
int main(int argc, char* argv[])
{
list<char> listTemp;
for (char c = 'a'; c <= 'z'; ++c)
listTemp.push_back(c);
while (!listTemp.empty())
{
cout <<listTemp.front() << " ";
listTemp.pop_front();
}
return 0;
}成員函式empty()的返回值告訴我們容器中是否還有元素，只要這個函式返回 false，迴圈就繼續進行。迴圈之內，成員函式front()會返回第一個元素，pop_front()函式會刪除第一個元素。
注意：list<指標> 完全是效能最低的做法，還不如直接使用 list<物件> 或使用 vector<指標> 好，因為指標沒有構造與析構，也不佔用很大記憶體。
2.4 set
set（集合）由紅黑樹實現，其內部元素依據其值自動排序，每個元素值只能出現一次，不允許重複。
特點
- set 中的元素都是排好序的，集合中沒有重複的元素;
- map 和 set 的插入刪除效率比用其他序列容器高，因為對於關聯容器來說，不需要做記憶體拷貝和記憶體移動。
優缺點和適用場景
優點：使用平衡二叉樹實現，便於元素查詢，且保持了元素的唯一性，以及能自動排序。
缺點：每次插入值的時候，都需要調整紅黑樹，效率有一定影響。
適用場景：適用於經常查詢一個元素是否在某群集中且需要排序的場景。
例子
下面的例子演示 set（集合）的兩個特點：
#include <iostream>
#include <set>
using namespace std;
int main(int argc, char* argv[])
{
set<int> setTemp;
setTemp.insert(3);
setTemp.insert(1);
setTemp.insert(2);
setTemp.insert(1);
set<int>::iterator it;
for (it = setTemp.begin(); it != setTemp.end(); it++)
{
cout << *it << " ";
}
return 0;
}輸出結果：1 2 3。一共插入了 4 個數，但是集合中只有 3 個數並且是有序的，可見之前說過的 set 集合的兩個特點，有序和不重複。
當 set 集合中的元素為結構體時，該結構體必須實現運算子 ‘<’ 的過載：
#include <iostream>
#include <set>
#include <string>
using namespace std;
struct People
{
string name;
int age;
bool operator <(const People p) const
{
return age < p.age;
}
};
int main(int argc, char* argv[])
{
set<People> setTemp;
setTemp.insert({"張三",14});
setTemp.insert({ "李四", 16 });
setTemp.insert({ "隔壁老王", 10 });
set<People>::iterator it;
for (it = setTemp.begin(); it != setTemp.end(); it++)
{
printf("姓名：%s 年齡：%d\n", (*it).name.c_str(), (*it).age);
}
return 0;
}/*
輸出結果
姓名：王二麻子作者：luckyum年齡：10 姓名：張三 年齡：14 姓名：李四 年齡：16 */
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可以看到結果是按照年齡由小到大的順序排列。另外 string 要使用c_str()轉換一下，否則打印出的是亂碼。
另外 Multiset 和 set 相同，只不過它允許重複元素，也就是說 multiset 可包括多個數值相同的元素。這裡不再做過多介紹。
2.5 map
map 由紅黑樹實現，其元素都是 “鍵值/實值” 所形成的一個對組（key/value pairs)。每個元素有一個鍵，是排序準則的基礎。每一個鍵只能出現一次，不允許重複。
map 主要用於資料一對一對映的情況，map 內部自建一顆紅黑樹，這顆樹具有對資料自動排序的功能，所以在 map 內部所有的資料都是有序的。比如一個班級中，每個學生的學號跟他的姓名就存在著一對一對映的關係。
特點
- 自動建立 Key - value 的對應。key 和 value 可以是任意你需要的型別。
- 根據 key 值快速查詢記錄，查詢的複雜度基本是 O(logN)，如果有 1000 個記錄，二分查詢最多查詢 10次(1024)。
- 增加和刪除節點對迭代器的影響很小，除了那個操作節點，對其他的節點都沒有什麼影響。
- 對於迭代器來說，可以修改實值，而不能修改 key。
優缺點和適用場景
優點：使用平衡二叉樹實現，便於元素查詢，且能把一個值對映成另一個值，可以建立字典。
缺點：每次插入值的時候，都需要調整紅黑樹，效率有一定影響。
適用場景：適用於需要儲存一個數據字典，並要求方便地根據key找value的場景。
例子
#include "stdafx.h"
#include <iostream>
#include <map>
#include <string>
using namespace std;
int main(int argc, char* argv[])
{
map<int, string> mapTemp;
mapTemp.insert({ 5,"張三" });
mapTemp.insert({ 3, "李四"});
mapTemp.insert({ 4, "隔壁老王" });
map<int, string>::iterator it;
for (it = mapTemp.begin(); it != mapTemp.end(); it++)
{
printf("學號：%d 姓名：%s\n", (*it).first, (*it).second.c_str());
}
return 0;
}
/*
輸出結果：
學號：3 姓名：李四
學號：4 姓名：隔壁老王
學號：5 姓名：張三
*/
multimap 和 map 相同，但允許重複元素，也就是說 multimap 可包含多個鍵值（key）相同的元素。這裡不再做過多介紹。
2.6 容器配接器
除了以上七個基本容器類別，為滿足特殊需求，STL還提供了一些特別的（並且預先定義好的）容器配接器，根據基本容器類別實現而成。包括：
1、stack
名字說明了一切，stack 容器對元素採取 LIFO（後進先出）的管理策略。
2、queue
queue 容器對元素採取 FIFO（先進先出）的管理策略。也就是說，它是個普通的緩衝區
作者：luckyum
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