STL筆試面試題總結

一.STL有哪些元件？

STL提供六大元件彼此此可以組合套用：

1、容器
容器就是各種資料結構，我就不多說，看看下面這張圖回憶一下就好了，從實現角度看，STL容器是一種class template。

2、演算法
各種常見演算法，如sort，search，copy，erase等，我覺得其中比較值得學習的就是sort，next_permutation，partition，merge sort，從實現角度看，STL演算法是一種function template。

3、迭代器
扮演容器與演算法之間的膠合劑，是所謂的“泛型指標”。共有五種型別，從實現角度看，迭代器是一種將operator*，operator->，operator++，operator--等指標相關操作予以過載的class template。所有STL容器都附帶有自己專屬的迭代器，只有容器設計者才知道如何設計迭代器。原生指標也是一種迭代器。是設計模式的一種，所以被問到了解的設計模式可以用來湊數。

4、仿函式
行為類函式，可作為演算法的某種策略，從實現角度看，仿函式是一種過載了operator()的class或class template。一般函式指標可視為狹義的仿函式。

5、容器配接器
一種用來修飾容器或者仿函式或迭代器介面的東西。比如queue和stack，看著像容器，其實就是deque包了一層皮。

6、空間配置器
負責空間配置與管理。從實現角度看，配置器是一個實現了動態空間配置、空間管理、空間釋放額class template。

二.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，詳細見STL原始碼剖析P146，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。 

三、說說std::vector的底層（儲存）機制。

     vector就是一個動態陣列，裡面有一個指標指向一片連續的記憶體空間，當空間不夠裝下資料時，會自動申請另一片更大的空間（一般是增加當前容量的50%或100%），然後把原來的資料拷貝過去，接著釋放原來的那片空間；當釋放或者刪除裡面的資料時，其儲存空間不釋放，僅僅是清空了裡面的資料。

四、vector插入刪除和list有什麼區別？

vector插入和刪除資料，需要對現有資料進行復制移動，如果vector儲存的物件很大或者建構函式很複雜，則開銷較大，如果是簡單的小資料，效率優於list。

list插入和刪除資料，需要對現有資料進行遍歷，但在首部插入資料，效率很高。

五、什麼情況下用vector，什麼情況下用list。

vector可以隨機儲存元素（即可以通過公式直接計算出元素地址，而不需要挨個查詢），但在非尾部插入刪除資料時，效率很低，適合物件簡單，物件數量變化不大，隨機訪問頻繁。

list不支援隨機儲存，適用於物件大，物件數量變化頻繁，插入和刪除頻繁。

六、vector中begin和end函式返回的是什麼？

begin返回的是第一個元素的迭代器，end返回的是最後一個元素後面位置的迭代器。

七、為什麼vector的插入操作可能會導致迭代器失效？

vector動態增加大小時，並不是在原空間後增加新的空間，而是以原大小的兩倍在另外配置一片較大的新空間，然後將內容拷貝過來，並釋放原來的空間。由於操作改變了空間，所以迭代器失效。

八、說說std::list的底層（儲存）機制。

以結點為單位存放資料，結點的地址在記憶體中不一定連續，每次插入或刪除一個元素，就配置或釋放一個元素空間

九、list自帶排序函式的排序原理。

將前兩個元素合併，再將後兩個元素合併，然後合併這兩個子序列成4個元素的子序列，重複這一過程，得到8個，16個，...，子序列，最後得到的就是排序後的序列。

時間複雜度：O(nlgn)

void List::sort()

{

List carry;

List counter[64];  //陣列元素為連結串列

int fill = 0;

while (head->next != tail)

{

//head是哨兵，不存放有效值

//head->next元素被移走，所以while迴圈不需要head=head->next;

carry.transfer(carry.getHead()->next, head->next, head->next->next);    

    

int i = 0;

while (i < fill && counter[i].getHead()->next != counter[i].getHead())

//counter[i]不是空

{

counter[i].merge(carry);

carry.swap(counter[i++]);

}

carry.swap(counter[i]);

if (i == fill) ++fill;

}

for (int i = 1; i < fill; i++)

counter[i].merge(counter[i - 1]);   

//通過這個實現排序（將有序的連結串列合成一個新的有序連結串列）

swap(counter[fill - 1]);

}

十、deque與vector的區別。

1）vector是單向開口的連續線性空間，deque是雙向開口的連續線性空間。（雙向開口是指可以在頭尾兩端分別做元素的插入和刪除操作）。

2）deque沒有提供空間保留功能，而vector則要提供空間保留功能。

3）deque也提供隨機訪問迭代器，但是其迭代器比vector迭代器複雜很多。

十一、不允許有遍歷行為的容器有哪些（不提供迭代器）？

1）queue，除了頭部外，沒有其他方法存取deque的其他元素。

2）stack（底層以deque實現），除了最頂端外，沒有任何其他方法可以存取stack的其他元素。

3）heap，所有元素都必須遵循特別的排序規則，不提供遍歷功能。

十二、STL容器的引數allocate是用來做什麼的？

一般用在容器中，作為容器的一個成員，但一般是用模版引數傳入，這樣才可以讓我們換成我們自定義的allocator；分配器用於封裝STL容器在記憶體管理上的低層細節

十三、你怎樣理解迭代器？

Iterator(迭代器)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，相當於智慧指標。包括Input Iterator, Output Iterator, Forward Iterator, Bidirectional Iterator, Random Access Iterator.

十四、 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咯

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

十五、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::vector array;
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)。

十六、vector和list的區別

vector和陣列類似，擁有連續的記憶體空間，支援隨機的存取，在中間進行元素的插入和刪除的操作時間複雜度是O(n)

list是由雙向連結串列實現的，只能通過陣列指標來進行資料訪問，遍歷中間的元素，時間的複雜度是O(n).

十七、vector中erase方法與algorithn中的remove方法區別

vector中erase方法真正刪除了元素，迭代器不能訪問了

remove只是簡單地將元素移到了容器的最後面，迭代器還是可以訪問到。因為algorithm通過迭代器進行操作，不知道容器的內部結構，所以無法進行真正的刪除。

十八、STL中的容器都有哪些，優缺點？
介紹一下STL，詳細說明STL如何實現vector。

STL(標準模板庫)可分為容器(containers)、迭代器(iterators)、空間配置器(allocator)、配接器(adapters)、演算法(algorithms)、仿函式(functors)六個部分。
STL (標準模版庫，Standard Template Library.它由容器、演算法、迭代器組成。
STL有以下的一些優點：
可以方便容易地實現搜尋資料或對資料排序等一系列的演算法；
除錯程式時更加安全和方便；
即使是人們用STL在UNIX平臺下寫的程式碼你也可以很容易地理解（因為STL是跨平臺的）。
vector實質上就是一個動態陣列，會根據資料的增加,動態的增加陣列空間。
deque從邏輯上來看是連續的記憶體，本質上是由一段段固定大小 的連續空間組成。deque採用類似索引的結構管理記憶體。vector有capacity和reserve函式，deque和list一樣，沒有capacity和reserve函式。

總結如下： 
1. 在deque中間 插入或者刪除將使所有deque元素的迭代器、引用、指標失效 
2. 在deque首部或者尾部插入元素會使迭代器失效，但不會引起引用和指標失效 
3. 在其首部或尾部刪除元素則只會使指向被刪除元素的迭代器失效

vector模板的資料在記憶體中連續的排列，所以隨機存取元素（即通過[]運算子存取）的速度最快，這一點和陣列是一致的。同樣由於它的連續排列，所以它在除尾部以外的位置刪除或新增元素的速度很慢，在使用vector時，要避免這種操作。
list模板的資料是鏈式儲存，所以不能隨機存取元素。它的優勢在於任意位置新增 刪除元素的速度。
deque模板是通過連結若干片連續的資料實現的，所以均衡了以上兩個容器的特點

十九、說說std::deque的底層機制。

deque動態地以分段連續空間組合而成，隨時可以增加一段新的連續空間並連結起來。不提供空間保留功能。

注意：除非必要，我們儘可能選擇使用vector而非deque，因為deque的迭代器比vector迭代器複雜很多。對deque排序，為了提高效率，可先將deque複製到一個vector上排序，然後再複製回deque。

deque採用一塊map（不是STL的map容器）作為主控，其為一小塊連續空間，其中每個元素都是指標，指向另一段較大的連續空間（緩衝區）。

deque的迭代器包含4個內容：

1）cur：迭代器當前所指元素

2）first：此迭代器所指的緩衝區的頭。

3）last：緩衝區尾。

4）node：指向管控中心。

二十、說說std::map底層機制。

map以RB-TREE為底層機制。RB-TREE是一種平衡二叉搜尋樹，自動排序效果不錯。

通過map的迭代器不能修改其鍵值，只能修改其實值。所以map的迭代器既不是const也不是mutable。

二十一、紅黑樹有什麼性質？

1）每個結點是紅色或者黑色。

2）根結點為黑色。

3）葉結點為黑色的NULL結點。

4）如果結點為紅，其子節點必須為黑。

5）任一結點到NULL的任何路徑，所含黑結點數必須相同。

二十二、vector、list、map、deque用erase（it）後，迭代器的變化。

vector和deque是序列式容器，其記憶體分別是連續空間和分段連續空間，刪除迭代器it後，其後面的迭代器都失效了，此時it及其後面的迭代器會自動加1，使it指向被刪除元素的下一個元素。

list刪除迭代器it時，其後面的迭代器都不會失效，將前面和後面連線起來即可。

map也是隻能使當前刪除的迭代器失效，其後面的迭代器依然有效。

二十三、hash_map與map的區別？什麼時候用hash_map，什麼時候用map？

建構函式：hash_map需要hash function和等於函式，而map需要比較函式（大於或小於）。

儲存結構：hash_map以hashtable為底層，而map以RB-TREE為底層。 

總的說來，hash_map查詢速度比map快，而且查詢速度基本和資料量大小無關，屬於常數級別。而map的查詢速度是logn級別。但不一定常數就比log小，而且hash_map還有hash function耗時。

如果考慮效率，特別當元素達到一定數量級時，用hash_map。

考慮記憶體，或者元素數量較少時，用map。

二十四、hashtable，hash_set，hash_map的區別。

hash_set以hashtable為底層，不具有排序功能，能快速查詢。其鍵值就是實值。（set以RB-TREE為底層，具有排序功能。）

hash_map以以hashtable為底層，沒有自動排序功能，能快速查詢，每一個元素同時擁有一個實值和鍵值。（map以RB-TREE為底層，具有排序功能。）

二十五、map和set的3個問題。

1）為何map和set的插入刪除效率比其他序列容器高。

因為不需要記憶體拷貝和記憶體移動

2）為何map和set每次Insert之後，以前儲存的iterator不會失效？

因為插入操作只是結點指標換來換去，結點記憶體沒有改變。而iterator就像指向結點的指標，記憶體沒變，指向記憶體的指標也不會變。

2）當資料元素增多時（從10000到20000），map的set的查詢速度會怎樣變化？

RB-TREE用二分查詢法，時間複雜度為logn，所以從10000增到20000時，查詢次數從log10000=14次到log20000=15次，多了1次而已。

二十六、map是怎麼實現的？查詢的複雜度是多少？能不能邊遍歷邊插入？

紅黑樹和雜湊

O(logn)

不可以，map不像vector，它在對容器執行erase操作後不會返回後一個元素的迭代器，所以不能遍歷地往後刪除。

二十七、hash_map和map的區別在哪裡？

hash_map底層是雜湊的所以理論上操作的平均複雜度是常數時間，map底層是紅黑樹，理論上平均複雜度是O(logn)，這裡總結一下，選用map還是hash_map，關鍵是看關鍵字查詢操作次數，以及你所需要保證的是查詢總體時間還是單個查詢的時間。如果是要很多次操作，要求其整體效率，那麼使用hash_map，平均處理時間短。如果是少數次的操作，使用 hash_map可能造成不確定的O(N)，那麼使用平均處理時間相對較慢、單次處理時間恆定的map，考慮整體穩定性應該要高於整體效率，因為前提在操作次數較少。如果在一次流程中，使用hash_map的少數操作產生一個最壞情況O(N)，那麼hash_map的優勢也因此喪盡了。

二十八、為何map和set不能像vector一樣有個reserve函式來預分配資料？

map和set內部儲存的已經不是元素本身了，而是包含元素的節點。也就是說map內部使用的Alloc並不是map宣告的時候從引數中傳入的Alloc。例如：
map, Alloc > intmap;
這時候在intmap中使用的allocator並不是Alloc, 而是通過了轉換的Alloc，具體轉換的方法時在內部通過
Alloc::rebind重新定義了新的節點分配器，詳細的實現參看徹底學習STL中的Allocator。
其實你就記住一點，在map和set裡面的分配器已經發生了變化，reserve方法你就不要奢望了。