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STL常用容器詳細解析

阿新 • • 發佈：2019-01-06

STL容器的實現原理 

 
STL共有六大元件
 1、容器。2、演算法。3、迭代器。4、仿函式。6、介面卡。

STL容器的實現原理

STL來管理資料十分方便,省去了我們自己構建資料結構的時間.其實,STL的實現也是基於我們常見的資料結構.


序列式容器：
vector-陣列，元素不夠時再重新分配記憶體，拷貝原來陣列的元素到新分配的陣列中。
list－單鏈表。
deque-分配中央控制器map(並非map容器)，map記錄著一系列的固定長度的陣列的地址.記住這個map僅僅儲存的是陣列的地址,真正的資料在陣列中存放著.deque先從map中央的位置(因為雙向佇列，前後都可以插入元素)找到一個數組地址，向該陣列中放入資料，陣列不夠時繼續在map中找空閒的陣列來存資料。當map也不夠時重新分配記憶體當作新的map,把原來map中的內容copy的新map中。所以使用deque的複雜度要大於vector，儘量使用vector。

stack-基於deque。

queue-基於deque。
heap-完全二叉樹，使用最大堆排序，以陣列(vector)的形式存放。
priority_queue-基於heap。
slist-雙向連結串列。

關聯式容器：
set,map,multiset,multimap-基於紅黑樹(RB-tree)，一種加上了額外平衡條件的二叉搜尋樹。


hash table-散列表。將待存資料的key經過對映函式變成一個數組(一般是vector)的索引，例如：資料的key%陣列的大小＝陣列的索引(一般文字通過演算法也可以轉換為數字)，然後將資料當作此索引的陣列元素。有些資料的key經過演算法的轉換可能是同一個陣列的索引值(碰撞問題，可以用線性探測，二次探測來解決)，STL是用開鏈的方法來解決的，每一個數組的元素維護一個list，他把相同索引值的資料存入一個list，這樣當list比較短時執行刪除，插入，搜尋等演算法比較快。


hash_map,hash_set,hash_multiset,hash_multimap-基於hash table。

綜上所述大家應該知道了什麼情況下該使用哪一個STL容器更合適,可以在適當時候避免使用一些影響效率的STL容器.


這裡我們不涉及容器的基本操作之類，只是要討論一下各個容器其各自的特點STL中的常用容器包括：順序性容器（vector、deque、list）、關聯容器（map、set）、容器介面卡（queue、stac）

STL是C/C++開發中一個非常重要的模板，而其中定義的各種容器也是非常方便我們大家使用。下面，我們就淺談某些常用的容器。這裡我們不涉及容器的基本操作之類，只是要討論一下各個容器其各自的特點。STL中的常用容器包括：順序性容器（vector、deque、list）、關聯容器（map、set）、容器介面卡（queue、stac）。

1、順序性容器

（1）vector
vector是一種動態陣列，在記憶體中具有連續的儲存空間，支援快速隨機訪問。由於具有連續的儲存空間，所以在插入和刪除操作方面，效率比較慢。vector有多個建構函式，預設的建構函式是構造一個初始長度為0的記憶體空間，且分配的記憶體空間是以2的倍數動態增長的，即記憶體空間增長是按照20,21,22,23.....增長的，在push_back的過程中，若發現分配的記憶體空間不足，則重新分配一段連續的記憶體空間，其大小是現在連續空間的2倍，再將原先空間中的元素複製到新的空間中，效能消耗比較大，尤其是當元素是非內部資料時(非內部資料往往構造及拷貝建構函式相當複雜)。vector的另一個常見的問題就是clear操作。clear函式只是把vector的size清為零，但vector中的元素在記憶體中並沒有消除，所以在使用vector的過程中會發現記憶體消耗會越來越多，導致記憶體洩露，現在經常用的方法是swap函式來進行解決：  

vector<int> V;V.push_back(1); V.push_back(2);V.push_back(1); V.push_back(2);
vector<int>().swap(V); 或者 V.swap(vector<int>());

利用swap函式，和臨時物件交換，使V物件的記憶體為臨時物件的記憶體，而臨時物件的記憶體為V物件的記憶體。交換以後，臨時物件消失，釋放記憶體。

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STL: 知道vector嗎，一個自然數陣列，要刪除其中的奇數，寫出程式碼。這個需要注意的是erase刪除結點，則該結點的iterator會失效，同時erase會返回下一個有效迭代器，所以iter++只有在偶數的時候才執行。 繼續問到iter++和++iter的區別，回答前者會產生一個臨時變數，後者的效率更高，如果前面有=的話，得到的值不一樣。 vector是怎麼儲存的，如果讓你實現vector，你怎麼做，首先說了下STL裡面的vector，記憶體如何分配的，建構函式等等。開始用陣列實現vector，然後問一定要寫成類似MS提供的STL裡面的vector，提示說不用，寫個基本框架就可以了，就直接寫vector程式碼，然後寫vector的插入操作，注意vector滿時

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（2）deque
deque和vector類似，支援快速隨機訪問。二者最大的區別在於，vector只能在末端插入資料，而deque支援雙端插入資料。deque的記憶體空間分佈是小片的連續，小片間用連結串列相連，實際上內部有一個map的指標。deque空間的重新分配要比vector快，重新分配空間後，原有的元素是不需要拷貝的。

（3）list
list是一個雙向連結串列，因此它的記憶體空間是可以不連續的，通過指標來進行資料的訪問，這使list的隨機儲存變得非常低效，因此list沒有提供[]操作符的過載。但list可以很好地支援任意地方的插入和刪除，只需移動相應的指標即可。

（4）在實際使用時，如何選擇這三個容器中哪一個，應根據你的需要而定，一般應遵循下面的原則：
  　　1) 如果你需要高效的隨即存取，而不在乎插入和刪除的效率，使用vector
  　　2) 如果你需要大量的插入和刪除，而不關心隨即存取，則應使用list
  　　3) 如果你需要隨即存取，而且關心兩端資料的插入和刪除，則應使用deque

2、關聯容器

（1）map
map是一種關聯容器，該容器用唯一的關鍵字來對映相應的值，即具有key-value功能。map內部自建一棵紅黑樹（一種自平衡二叉樹），這棵樹具有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，以二叉樹的形式進行組織。這是map的模板：

template < class Key, class T, class Compare= less<Key>, class Allocator=allocator< pair<const Key,T> > > class map;

從模板中我們可以看出，再構造map時，是按照一定的順序進行的。map的插入和刪除效率比其他序列的容器高，因為對關聯容器來說，不需要做記憶體的拷貝和移動，只是指標的移動。由於map的每個資料對應紅黑樹上的一個節點，這個節點在不儲存你的資料時，是佔用16個位元組的，一個父節點指標，左右孩子指標，還有一個列舉值（標示紅黑色），所以map的其中的一個缺點就是比較佔用記憶體空間。

map簡介

　map是STL的一個關聯容器（associativecontainer）之一，它提供一對一（其中第一個可以稱為關鍵字，每個關鍵字只能在map中出現一次，第二個可能稱為該關鍵字的值）的資料處理能力，由於這個特性，它完成有可能在我們處理一對一資料的時候，在程式設計上提供快速通道。這裡說下map內部資料的組織，map內部自建一顆紅黑樹(一種非嚴格意義上的平衡二叉樹)，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。

一個map是一個鍵值對序列，          即（key ,value）對。它提供基於key的快速檢索能力，在一個map中key值是唯一的。map提供雙向迭代器，即有從前往後的（iterator），也有從後往前的（reverse_iterator）。

map中key值是唯一 

    例子：如果已存在一個鍵值對(編號,使用者名稱):(1001,"jack")，而我們還想插入一個鍵值對(1001,"mike") 執行時會報錯（不是報錯，準確的說是，返回插入不成功！）。而我們又的確想這樣做，即一個鍵對應多個值，幸運的是multimap可是實現這個功能。

map中的型別定義

關聯陣列（associative array）是最有用的使用者定義型別之一，經常內建在語言中用於文字處理等。一個關聯陣列通常也稱為map，有時也稱字典（dictionary），儲存一對值。第一個值稱為key、第二個稱為對映值mapped-value。

// map::begin/end
#include <iostream>
#include <map>

int main ()
{
  std::map<char,int> mymap;
  std::map<char,int>::iterator it;

  mymap['z'] = 100;
  mymap['a'] = 200;
  mymap['z'] = 300;

  // show content:
  for (std::map<char,int>::iterator it=mymap.begin(); it!=mymap.end(); ++it)
    std::cout << it->first << " => " << it->second << '\n';

  return 0;
}

a => 200
z => 300



（2）set
set也是一種關聯性容器，它同map一樣，底層使用紅黑樹實現，插入刪除操作時僅僅移動指標即可，不涉及記憶體的移動和拷貝，所以效率比較高。set中的元素都是唯一的，而且預設情況下會對元素進行升序排列。所以在set中，不能直接改變元素值，因為那樣會打亂原本正確的順序，要改變元素值必須先刪除舊元素，再插入新元素。不提供直接存取元素的任何操作函式，只能通過迭代器進行間接存取。set模板原型：

template <class Key, class Compare=class<Key>, class Alloc=STL_DEFAULT_ALLOCATOR(Key) > class set;
set支援集合的交(set_intersection)、差(set_difference)、並(set_union)及對稱差(set_symmetric_difference) 等一些集合上的操作。

3、容器介面卡

（1）queue
queue是一個佇列，實現先進先出功能，queue不是標準的STL容器，卻以標準的STL容器為基礎。queue是在deque的基礎上封裝的。之所以選擇deque而不選擇vector是因為deque在刪除元素的時候釋放空間，同時在重新申請空間的時候無需拷貝所有元素。其模板為：
template < TYPENAME _Sequence="deque<_TP" typeneam _Tp,> > class queue;

（2）stack
stack是實現先進後出的功能，和queue一樣，也是內部封裝了deque，這也是為啥稱為容器介面卡的原因吧（純屬猜測）。自己不直接維護被控序列的模板類，而是它儲存的容器物件來為它實現所有的功能。stack的原始碼原理和實現方式均跟queue相同。

下面是他們的區別：

我們常用到的STL容器有vector、list、deque、map、multimap、set和multiset，它們究竟有何區別，各自的優缺點是什麼，為了更好的揚長避短，提高程式效能，在使用之前需要我們瞭解清楚。

verctor

vector類似於C語言中的陣列，它維護一段連續的記憶體空間，具有固定的起始地址，因而能非常方便地進行隨機存取，即 [] 操作符，但因為它的記憶體區域是連續的，所以在它中間插入或刪除某個元素，需要複製並移動現有的元素。此外，當被插入的記憶體空間不夠時，需要重新申請一塊足夠大的記憶體並進行記憶體拷貝。值得注意的是，vector每次擴容為原來的兩倍，對小物件來說執行效率高，但如果遇到大物件，執行效率就低了。

list

list類似於C語言中的雙向連結串列，它通過指標來進行資料的訪問，因此維護的記憶體空間可以不連續，這也非常有利於資料的隨機存取，因而它沒有提供 [] 操作符過載。

deque

deque類似於C語言中的雙向佇列，即兩端都可以插入或者刪除的佇列。queue支援 [] 操作符，也就是支援隨機存取，而且跟vector的效率相差無幾。它支援兩端的操作：push_back,push_front,pop_back,pop_front等，並且在兩端操作上與list的效率
也差不多。或者我們可以這麼認為，deque是vector跟list的折中。

map

map類似於資料庫中的１:１關係，它是一種關聯容器，提供一對一(C++ primer中文版中將第一個譯為鍵，每個鍵只能在map中出現一次，第二個被譯為該鍵對應的值)的資料處理能力，這種特性了使得map類似於資料結構裡的紅黑二叉樹。

multimap

multimap類似於資料庫中的１:Ｎ關係，它是一種關聯容器,提供一對多的資料處理能力。

set

set類似於數學裡面的集合，不過set的集合中不包含重複的元素，這是和vector的第一個區別，第二個區別是set內部用平衡二叉樹實現，便於元素查詢，而vector是使用連續記憶體儲存，便於隨機存取。

multiset

multiset類似於數學裡面的集合，集合中可以包含重複的元素。

小結

在實際使用過程中，到底選擇這幾種容器中的哪一個，應該根據遵循以下原則：

１、如果需要高效的隨機存取，不在乎插入和刪除的效率，使用vector；

2、如果需要大量的插入和刪除元素，不關心隨機存取的效率，使用list；

3、如果需要隨機存取，並且關心兩端資料的插入和刪除效率，使用deque；

4、如果打算儲存資料字典，並且要求方便地根據key找到value，一對一的情況使用map，一對多的情況使用multimap；

5、如果打算查詢一個元素是否存在於某集合中，唯一存在的情況使用set，不唯一存在的情況使用multiset。

常用ＳＴＬ容器舉例

一 常用容器舉例 

1 vector：

       vector類似於動態陣列，直接訪問元素，從後面快速插入或者刪除，示例程式碼如下：

  1. #include <iostream>
  2. #include <vector>//包含vector
  3. usingnamespace std;//指定名稱空間
  4. int main()  
  5. {  
  6.     cout<<"----------vector test-----------"<<endl;  
  7.     //定義一個vector
  8.     vector <int> vect;  
  9.     vector <int> vect1(12);//12個int型別元素，每個元素的初始值均為0
  10.     vector <int> vect2(12,9);//12個int，初試值均為9
  11.     //使用陣列初始化vector
  12.     int a[]={0,1,2,3,4,5,6,7,8,9,0};  
  13.     //vector <資料型別> <容器名> (<開始地址>,<結束地址的下一個地址> )。執行過vt中元素為1,2,3
  14.     vector <int> vt(a+1,a+4);  
  15.     //在尾部壓入3個值
  16.     vt.push_back(1);  
  17.     vt.push_back(2);  
  18.     vt.push_back(3);  
  19.     //定義迭代器iterator
  20.     vector <int>::iterator iter=vt.begin();//起始地址
  21.     vector <int>::iterator iter_end=vt.end();//結束地址,兩個地址都是指標型別
  22.     //遍歷vt
  23.     for(;iter!=iter_end;iter++)  
  24.     {  
  25.         cout<<*iter<<endl;  
  26.     }  
  27.     //彈出一個元素
  28.     vt.pop_back();  
  29.     //以下兩行重新獲得起始和結尾地址
  30.     iter=vt.begin();  
  31.     iter_end=vt.end();  
  32.     cout<<"----------executed pop_back------"<<endl;  
  33.     for(;iter!=iter_end;iter++)  
  34.     {  
  35.         cout<<*iter<<endl;  
  36.     }  
  37.     //插入元素
  38.     cout<<"----------insert into------------"<<endl;  
  39.     //插入格式：vector.insert(<起始地址>,<插入的數量>,<元素值>);如果插入的數量為1，則第二個引數可以被省略
  40.     vt.insert(vt.begin()+1,3,9);  
  41.     iter=vt.begin();  
  42.     iter_end=vt.end();  
  43.     for(;iter!=iter_end;iter++)  
  44.     {  
  45.         cout<<*iter<<endl;  
  46.     }  
  47.     //刪除元素
  48.     cout<<"----------erase-------------------"<<endl;  
  49.     //刪除格式1為：vector.erase(<刪除元素的地址>);
  50.     //刪除格式2為：vector.erase(<刪除元素的起始地址>，<終止地址>);
  51.     iter=vt.begin();  
  52.     iter_end=vt.end();  
  53.     vt.erase(iter+1,iter_end);//刪除第二個到最後一個的元素
  54.     iter_end=vt.end();  
  55.     for(;iter!=iter_end;iter++)  
  56.     {  
  57.         cout<<*iter<<endl;  
  58.     }  
  59.     return 1;  
  60. }  

   2  list

  list 為雙向連結串列，可以從任何地方插入或者刪除的，其示例程式碼如下：

  1. #include <iostream>
  2. #include <list>
  3. usingnamespace std;  
  4. void main()  
  5. {  
  6.     list<int> c1;  
  7.     c1.push_back(1);//從尾部push資料（結點）到list中 
  8.     c1.push_back(2);   
  9.     c1.push_back(3);  
  10.     c1.push_back(4);  
  11.     c1.push_front(0);//從頭部push資料（結點）到list中 
  12.     c1.pop_back();//從尾部pop資料（結點）出去 
  13.     int& i = c1.back();//獲取list中尾部資料（結點） 
  14.     constint& ii = c1.front();//獲取list中頭部 資料（結點）

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