• C++ STL容器那些你不知道的知识点



     

    在c++中,容器指的是能够容纳各种数据类型的通用数据数据结构,是类模板。 比如set类模板:

    template <class _Key, class _Compare = less<_Key>,

              class _Allocator = allocator<_Key> >

    class _LIBCPP_TYPE_VIS_ONLY set

    C++的容器主要分为三种:顺序容器、关联容器和容器适配器。

    而访问容器元素我们需要迭代器(引入容器头文件就可以了,不需要单独因为头文件),迭代器有以下几个属性:

    1.用于指向顺序容器和关联容器的元素

    2.用法和指针类似

    3.有const(容器类名::iterator 变量名)和非const两种(容器类名::const_iterator 变量名)

    4.通过迭代器可以读取它指向的元素

    5.非const迭代器和可以修改其指向的元素

    顺序容器

    何为顺序容器,也就是说元素的位置是顺序插入的,插入位置与元素的值无关,核心是容器没有排序。 顺序容器都具有以下10个成员函数:

    #返回迭代器

    begin

    end

    rbegin  //返回指向最后一个元素的迭代器

    rend

    #返回元素引用

    front

    back

    #其他

    erase(删除区间时返回被删除元素后面的迭代器;也可删除一个或几个元素)

    clear

    push_back

    pop_back

    顺序容器有以下三种:

    1.vector动态数组 头文件<vetor>

    元素在内存中是连续存放的。

    随机存取时间:常数时间(因为可以通过下标直接访问到地址)。

    在尾部增删元素通常是常数时间(正常是常数时间,如果超出了默认分配的元素个数,会重新分配存储空间,此时会消耗更多时间)。

    在中间或者头部增删元素:o(n)(会移动其他元素的位置)。

    迭代器类型:随机访问(支持下标访问、随机移动,例:a[i])。

    查询时间:o(n)(因为没有排序,只能现行查找,效率较低)。

    可见vector在中间或者头部增删元素性能较低。

    优点:内存和C完全兼容、高效随机访问、节省空间

    缺点:内部插入删除元素代价巨大、动态大小查过自身容量需要申请大量内存做大量拷贝。

    构造函数:

    vector();

    vector(int n);

    vector(int n, const T &a); //把n个元素初始化为a

    vector(iterator first,iterator last); //初始化为其他容器上区间[first,last)一致的内容

    常用成员函数

    void pop_back();

    void push_back(const T &val);

    int size();

    T & font();

    T & back();

    deque[读:dek,之前经常读dkju:]双向队列 头文件<deque>

    元素在内存中连续存放(连续内存的容器有个明显的缺点,就是有新元素插入或老元素删除的时候,为了给新元素腾出位置或者填充老元素的空缺,同一块内存中的其他数据需要进行整体的移位,这种移位的拷贝代价有时是非常巨大的。deque实际上是分配到不同内存块,通过链表把内存块连在一起,再进行连续存放,是list与vector的折中)。

    随机存取时间:常数时间(仅次于vector,因为有可能存在尾部的内存位置在头部之前的场景)。

    在两端增删元素通常是常数时间。(deque不像vector没有容量,不需要重新分配内存空间。这是因为deque由动态分配的连续空间,即缓冲区,组合而成,随时可以增加一段新的空间链接起来。它没有必要像vector那样“因旧空间不足而重新分配2倍的空间,然后复制元素,再释放旧空间”。当重新分配缓冲区时,耗时增加)。

    在中间插入:时间复杂度较高。

    迭代器类型:随机访问(效率低于vector)。

    查询时间:o(n)(原因同上)。

    优点:高效随机访问、内部插入删除元素效率方便、两端push、pop效率很高 。

    缺点:内存占用比较高 。


     

    list双向链表 头文件<list>

    元素在内存中不连续分配(因为指针可以获取前后元素的地址),所以不支持随机存取。

    在任何位置增删元素时间:常数时间。

    查询时间:o(n)(原因同上)。

    迭代器类型:双向(不支持下标访问,不支持迭代器的比较运算符,和+-运算符)

    优点:任意位置插入删除元素常量时间复杂度、两个容器融合是常量时间复杂度

    缺点:不支持随机访问、比vector占用更多的存储空间

    常用成员函数:(注意这些在顺序容器中都是list独有的)

    push_front

    pop_front

    sort  //不支持STLsort算法

    remove

    unique

    merge

    reverse

    splice

    特别说明,list的sort函数有无参和compare两个版本

    list<T> classname

    classname.sort(compare);  //compare自定义

    classname.sort();

    关联容器(迭代器类型:双向)

    关联的意思就是元素是排序的。

    插入与检索元素时间: o(log(N))(因为通过红黑二叉树实现,时间与平衡二叉树一致)。

    需要注意的是,STL中有些算法比如sort,binary_search需要通过随机访问迭代器访问容器中的元素,因此list以及关联容器就不能支持该算法!

    主要包括以下4种:

    set

    multiset

    map

    multimap

    除了个容器都有的成员函数外,它们都有以下成员函数

    find

    lower_bound

    upper_bound

    equal_range

    count

    insert

    map与set的不同点在于,map中存放的元素有且仅有两个成员变量,first(类似于key),second(类似于value),map可以根据first对元素排序和检索。

    set与multiset的不同在于,后者允许存在相同值的元素。 map与multimap的不同在于,后者允许存在相同的first值的元素。

    容器适配器(不支持迭代器)

    这个概念听起来有点抽象,其实就是STL帮我们抽象了实际工作中所需要的数据操作方式。举个栗子,交流电可以有任意的传输电压,但是实际生活中我们只需要220v就够了,变压器帮我们实现了这个基本的功能。同理,容器的操作方式多种多样,但是其实我们只需要他们按照实际的一些规范来操作即可。

    他们都有以下3个成员函数:

    push

    top

    pop

    STL中的排序,查找,变序算法都不适合容器适配器(因为容器适配器的元素位置不可随意改变,并且访问有一定的访问规则,不支持随机访问)。

    stack 栈 头文件<stack>

    是一个有限序列,并满足序列中被删除、检索和修改的项只能是最近插入序列的项(栈顶项)。也即,先进先出LIFO。

    可以用vector,deque,list(性能最差)实现,编译器缺省是用deque实现的。

    比如,在程序调试中,错误堆栈就是一种应用。

    queue 队列 头文件 <queue>

    插入只可以在尾部进行,删除、检索和修改只允许从头部进行。先进先出FIFO。

    queue由于pop,push发生在对头,所以不能用vector实现,可以用list,deque实现,编译器缺省用deque实现。

    比如,应用于需要保证消息顺序性的场景,如消息队列。

    priority_queue 优先级队列 头文件<queue>

    最高优先级元素总是第一个出列。

    它需采用堆排序来保证元素总是在最前面,因此要求随机访问,所以不能使用list实现,可以用vector和deque实现,编译器缺省情况下用vector实现。

    比如,操作系统的线程的调度算法,有的是按照优先级来调度的。

    总结


     

    1.如果需要随机访问,用vector;

    2.如果存储元素的数目已知,用vector;

    3.需要任意位置随机插入删除,用list;

    4.经常在容器的首部尾部插入删除元素,用deque;

    5.元素结构复杂用list,也可以用vector存储指针(需要额外的精力去维护内存),看需求;

    6.如果操作是基于键值,用set/map;

    7.如果需要经常的搜索,用map/set。

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