数据结构利器之私房STL（上）
2012-12-02 16:13 捣乱小子 阅读(2443) 评论(4) 编辑 收藏 举报索引
这篇文章 http://www.cnblogs.com/daoluanxiaozi/archive/2012/12/02/confidential-stl.html 由于严重违反了『博客园首页』的相关规则，因此笔者改将《私房STL》系列的每一篇都整合到博客园中，取消外链的做法。另，考虑篇幅的问题，此系列文章将分为上、中、下。此篇为《数据结构利器之私房STL（上）》，中篇和下篇将陆续发布。喜欢就顶下吧:-)
此系列的文章适合初学有意剖析STL和欲复习STL的同学们。
学过c++的同学相信都有或多或少接触过STL。STL不仅仅是c++中很好的编程工具（这个词可能有点歧义，用类库更恰当），还是学习数据结构的好教材。它实现了包括可边长数组，链表，栈，队列，散列，映射等等，这些都是计算机专业同学在数据结构这门核心课程当中需要学习的。
在深入一个工具之前，首先要熟练使用它。STL也一样。在剖析STL之前，可以先动手使用STL，比如其中的vector，list，stack等，热热身，而使用比剖析简单的多，何乐而不为呢。网上很多仁人志士都推荐《C++标准程序库》，这本书好！但如果是新手，又急于了解如何使用STL，那么我更倾向于选择一般的c++书籍（里面有简单的STL使用范例）。另外，还推荐c++ reference站点：http://www.cplusplus.com/，google更不在话下。注意，如果你已经通读《C++标准程序库》，那么至多是熟练使用STL而已，但不能说精通STL。欲精通STL，必剖之。
工欲善其事，必先利其器，剖析STL你需要做什么？剖析STL可能需要熟悉c++的基本的语法，了解泛型编程等。最后是《STL源码剖析》。
此系列的文章无意巨细分析STL内部具体实现，因为互联网上有很多大牛（@July @MoreWindows 待补充，他们的文章链接会在对应的文章中给出）的作品，STL内的一些算法和实现都已经解释的很详细了，不再班门弄斧。相反，此系列意在为STL中的每一部件作简要的总结说明，并穿插其中实现的技巧。
私房STL之vector
一句话vector：vector的空间可扩充，支持随机存取访问，是一段连续线性的空间。所以它是动态空间，与之对比的array是静态的空间，不可扩充。简单来说，vector是数组的增强版。
vector创建与遍历
vector提供了几个版本的构造函数。详见：http://www.cplusplus.com/reference/stl/vector
比如：
vector<int> iv(3,3); /*3,3,3*/
又或：
...... vector<int>::iterator beg = iv.begin(), end = iv.end(); cout << *beg << endl; ......
vector删除
在经常需要删除操作earse()（插入操作也一样insert()）的地方，不建议使用vector容器，因为删除元素会导致内存的复制，无疑增加系统开销。最为极端的情况，删除vector首部的元素：
a b c d e f g h
b c d e f g h h
b c d e f g h
当然，有更好的做法，为了避免内存复制，在删除的时候，将需要删除的目标与vector尾端的元素交换，然后才执行删除操作，但这无疑也增加了一个指向vector尾端元素的空间开销。
a b c d e f g h
h b c d e f g a
h b c d e f g
vector陷阱
需要注意的是，vector备用空间是有限的，当发现备用空间不够用的时候，vector是另外新分配一个比原有更大的空间（原有空间*2），然后把原有的内容倒腾到新的空间上去，接着释放原有的空间。所以迭代器的使用就要特别小心了，在插入元素之后，很可能之前声明定义的迭代器都失效了。
...... vector<int> iv(3,3); iv.push_back(10); /*3,3,3,10*/ vector<int>::iterator beg = iv.begin(), end = --iv.end(); cout << iv.size() << " " << *beg << " " << *end << endl; /*4 3 10*/ iv.push_back(20); cout << iv.size() << " " << *beg << " " << *end << endl; /*bomb.invalid iterator.*/ ......
- bomb！！！
vector元素排序
#include <iostream>
#include <vector>
#include <algorithm>
using namespace std;
int main()
{
vector<int> iv(3,3);
unsigned int i;
/*add new elem.*/
iv.push_back(10);
iv.push_back(9);
iv.push_back(0);
vector<int>::iterator beg = iv.begin(),
end = iv.end();
/*print.*/
for(i=0; i<iv.size(); i++)
cout << iv[i] << " ";
cout << endl;
/*sort.*/
sort(beg,end);
/*print.*/
for(i=0; i<iv.size(); i++)
cout << iv[i] << " ";
cout << endl;
return 0;
}
3 3 3 10 9 0
0 3 3 3 9 10
请按任意键继续. . .
vector查找
按上述遍历元素的方法查找，复杂度为O(n)。STL算法实现了find()，可以在指定的迭代器始末寻找指定的元素。
...... vector<int> iv(3,3); unsigned int i; /*add new elem.*/ iv.push_back(10); iv.push_back(9); iv.push_back(0); vector<int>::iterator beg = iv.begin(), end = iv.end(), ret; ret = find(beg,end,10); cout << *ret << endl; ......
建议
之于array，vector虽略胜一筹，但有它的硬伤，那就是它动态增大的时候，空间操作耗费大，特别是当vector内的元素很多的时候。
vector还提供insert，earse，clear等元素的操作，不一一复述。最后是很不错的vector文档：http://www.cplusplus.com/reference/stl/vector/
本文完 2012-10-16
私房STL之list
一句话list：list是我们在数据结构中接触过的双向循环链表，应用有约瑟夫环；可见其空间非连续的，但可以动态扩充，效率很高，只是不支持随机访问，必须通过迭代器找到指定的元素。总的来说，list用起来比较顺手。
- list_node
list的查找
按上述遍历元素的方法查找，复杂度为O(n)。STL算法实现了find()，可以在指定的迭代器始末寻找指定的元素。
...... list<int> il; il.push_back(5); il.push_back(98); il.push_back(7); il.push_back(20); il.push_back(22); il.push_back(17); list<int>::iterator ite; ite = find(il.begin(),il.end(),20); cout << *ite << endl;/*20*/ ......
list创建与遍历
STL中也为list实现了几个版本的构造函数：http://www.cplusplus.com/reference/stl/list/list/，有最简单缺省的版本。
list的遍历使用迭代器，如下：
#include <iostream>
#include <list>
#include <algorithm>
using namespace std;
int main()
{
unsigned int i;
list<int> il;
il.push_back(5);
il.push_back(98);
il.push_back(7);
il.push_back(20);
il.push_back(22);
il.push_back(17);
list<int>::iterator ite;
for(ite = il.begin(); ite != il.end(); ite++)
cout << *ite << " ";
cout << endl;
return 0;
}
list在空间拓展的时候，没有经历vector式的空间倒腾，所以只要不earse元素，指向它ite是不会失效的。
list元素操作
list有提供pop_back,erase,clear,insert等实用的元素操作，不一一复述，给出有用的文档：http://www.cplusplus.com/reference/stl/list/
list排序
STL算法（<algorithm>）实现的sort只适用于支持随机访问的数据，所以它不适用于list，list不支持随机访问。所以list内部实现了自己的sort，内部排序使用使用迭代版本的快排。
unsigned int i; list<int> il; il.push_back(5); il.push_back(98); il.push_back(7); il.push_back(20); il.push_back(22); il.push_back(17); list<int>::iterator ite; for(ite = il.begin(); ite != il.end(); ite++) cout << *ite << " "; cout << endl; il.sort(); for(ite = il.begin(); ite != il.end(); ite++) cout << *ite << " "; cout << endl; return 0;
5 98 7 20 22 17
5 7 17 20 22 98
请按任意键继续. . .
建议
list使用轻松自如，硬伤是由于空间的个性（不连续），不能随机访问。
本文完 2012-10-16
私房STL之deque
一句话deque：deque是双端队列，它的空间构造并非一个vector式的长数组，而是“分段存储，整体维护”的方式；STL允许在deque中任意位置操作元素（删除添加）（这超出了deque的概念，最原始的deque将元素操作限定在队列两端），允许遍历，允许随机访问（这是假象）；我们将看到，deque将是STL中stack和queue的幕后功臣，对deque做适当的修正，便可以实现stack和queue。
- bug,deque_in_real
deque的迭代器
deque的迭代器与一般的迭代器不同，并不是vector或者list的普通指针式迭代器，有必要写下。
...... typedef T** map_pointer; T* cur;//指向当前元素 T* first;//指向缓冲区头 T* last;//指向缓冲区尾巴 map_pointer node;//二级指针，指向缓冲区地址表中的位置 ......
实现的复杂度可见一斑。正是因为deque复杂的空间结构，其迭代器也想跟着复杂晦涩。于是很容易令人产生异或！
为什么要用这么复杂的空间结构
同学A会疑问：“为什么不直接使用似vector抑或array一个长的数组？这样实现起来简单，而且迭代器也不会像”这个问题很容易被解决，想想：array就不用解释了，因为它是静态的空间，不支持拓展；另外，回想一下，vector在做空间拓展的时候，是如何劳神伤肺？！vector是依从“重新配置，复制，释放”规则，这样的代价是很划不来的。所以宁愿实现复杂的迭代器，来换取宝贵的计算机资源。
那么deque在做空间拓展的时候是如何做的呢？
如果缓冲区中还有备用的空间，那么直接使用备用的空间；否则，另外配置一个缓冲区，将其信息记录到缓冲区地址表里；更有甚者，如果缓冲区地址表都不够的时候，缓冲区地址表也要严格依从“重新配置，复制，释放”规则，但相比对“重新配置，复制，释放”规则宗教式追狂热的vector而言，效率高很多。
deque的创建与遍历
STL中deque有提供多种版本的构造函数，一把使用缺省构造函数。
...... deque<int> id; ......
同样，虽迭代器庞杂，但使用游刃有余，和其他的容器保持一致；并且，迭代器有重载“[]”运算符，所以支持“随机访问”（其实这是假象，详见上述内容）。
...... deque<int> id; id.push_back(1); id.push_back(2); id.push_back(3); id.push_back(4); id.push_back(5); id.push_back(6); cout << id[2] << endl; /*3*/ ......
deque的查找
有迭代器在，查找可以用STL<algorithm>内部实现的find()。当然，有重载“[]”运算符，按普通的顺序查找也可行。这里只给出迭代器版本：
...... deque<int> id; id.push_back(1); id.push_back(2); id.push_back(6); deque<int>::iterator ite; ite = find(id.begin(),id.end(),6); cout << *ite << endl; /*6*/ ......
deque的排序
我们已经知道，deque实际不是连续的存储空间，它使用了“分段存储，整体维护”的空间模式，当然代价是庞杂的迭代器。所以STL<algorithm>的sort()函数在这里并不适用。侯杰老师推荐，将deque所有的元素倒腾到一个vector中，再用STL<algorithm>的sort()函数，再从vector中倒腾进deque中。这种折腾是必须的，直接在的deque内部进行排序，效率更低。
建议
deque在实际的应用当中使用的比较少，但正如文章开头指出的，它是容器stack和queue的幕后功臣，所以了解它的内部实现机制多多益善。
本文完 2012-10-17
私房STL之stack与queue
一句话stack和queue：相对于deque，stack和queue没有那么底层，他们大部分底层的操作都由deque一手操办，特别的stack和queue是deque的子集（换句话说，stack、queue管deque叫老爹）；通过关闭或者限制deque的一些接口就可以轻易实现stack和queue（STL源码剖析中管这种机制叫“adapter”。）；由stack和queue的定义来看，它们的遍历动作是不被允许的，没有迭代器概念；有趣的是，通过修改list的接口，同样可以让list假冒stack和queue。
- stack
==================
- queue
stack的创建与遍历
除了默认的构造函数，stack和其他很多容器一样，支持依据vector中元素创建stack。只给出默认版本：更多的资料：http://www.cplusplus.com/reference/stl/stack/stack/
.....
stack<int> is;
is.push(4);
is.push(3);
is.push(2);
is.push(1);
is.push(0);
while(!is.empty())
{
cout << is.top() << " ";
is.pop();
}// while /*0 1 2 3 4*/
.....
stack不允许遍历！
queue的创建与遍历
......
queue<int> iq;
iq.push(4);
iq.push(3);
iq.push(2);
iq.push(1);
iq.push(0);
cout << iq.back() << endl; /*0*/
while(!iq.empty())
{
cout << iq.front() << " ";
iq.pop();
}// while /*4 3 2 1 0*/
......
queue不允许遍历！
stack/queue的查找和排序
stack/queue不允许遍历！
关于stack的top()和pop()
在数据结构的课程中，习惯将上面两个功能都整合到pop中去，但STL分开了，一个函数只做一件事情，在queue中也是这样做的。
......
Sequence c; // 底层容器
......
reference top() { return c.back(); }
void pop() { c.pop_back(); }
......
从Sequence c的定义当中可以看出一些端倪，stack允许用户选定底层容器，所以list此时可以作为底层容器来实现stack/queue。
......
stack<int,list<int>> is;
is.push(4);
is.push(3);
is.push(2);
is.push(1);
is.push(0);
while(!is.empty())
{
cout << is.top() << " ";
is.pop();
}// while /*0 1 2 3 4*/
......
建议
stack/queue在实际应用用的比较多，两者有很大的共性，因此queue被提取出来。嘿嘿，突然对STL肃然起敬。
关于更多的stack和queue请参看：http://www.cplusplus.com/reference/stl/stack/和http://www.cplusplus.com/reference/stl/queue/
本文完 2012-10-19
私房STL之一分钟的heap
一句话的heap：一种数据结构，完全二叉树（若二叉树高h，除过最底层h层，其他层1~h-1都是满的；并且最底层从左到右不能有空隙。），但在实现上，它没有选择一般的二叉树数据结构（即一个节点包含指向两个孩子的指针），使用的是数组；heap最为常用的操作是上溯和下溯，它们在“维持堆”和“堆排序”中经常用到。这篇文章能让你快速回顾heap。
- 完全二叉树（左）和非完全二叉树（右）
===============================================
- 完全二叉树的数组存储（对应上图左），X是实现上的技巧，刻意空出来
如果某节点位于数组i处，那么那么2i即为其左子结点，2i+1即为其右子结点。
最大堆和最小堆
堆有有最大堆和最小堆两种。最大堆即根节点的键值比其他所有节点键值都大；最小堆即根节点的键值比其他所有节点键值都小。只讨论最大堆，最小堆和最大堆思路如出一辙，便不一一复述了。
上溯和下塑
上溯操作主要用在“push_heap”过程中维持堆性质；下塑操作经常用在“sort_heap”过程中维持堆性质。
上溯：某节点与父节点比较，如果其键值比父节点大，即交换父子节点。重复上述操作，直到不需要交换或者到达根节点为止。
- 上溯
下塑：此节点为与堆顶，拿其与min（左子结点键值，右子结点键值）比较，如果父节点键值小过min，即交换父子节点。重复上述操作，直到不需要交换为止。
- 下溯
堆的形成
任务：给定一个数组，将其转换为最大heap。STL中make_heap()函数可以完成，它的思路：从最底层开始维持每一个子堆。看图：
- make-heap
还有一种可行的思路，即：先假设堆中的元素个数为0，然后向（尾端+1）（意即尾端后的一个位置）push一个新的元素，然后在这个位置执行上溯操作。重复上述操作，直至数组内所有的元素都push完为止。我们发现这个方法也是可行的。
堆排序
任务：给定一个最大heap，实现数组排序。思路不拐弯抹角，很直接：因为堆顶对应最大的元素swap(堆顶节点，最大heap最右一个节点)；不处理最后一个节点，从堆顶下溯。注意，下溯操作过后，除过最后一个节点，现有数据仍为一个最大堆。
堆排序的算法复杂度可以达到O(NlnN)，在“排序算法家族”当中效率还是很靠前的。关于heap的算法都在STL<algorithm>中实现，STL只实现了最大堆。
...... vector<int> iv(a,a+7); unsigned int i; vector<int>::iterator beg = iv.begin(), end = iv.end(),ite; for(ite = beg; ite!=end; ite++) cout << *ite << " "; cout << endl; /*1 3 9 11 21 100 4*/ make_heap(beg,end); for(ite = beg; ite!=end; ite++) cout << *ite << " "; cout << endl; /*100 21 9 11 3 1 4*/ sort_heap(beg,end); for(ite = beg; ite!=end; ite++) cout << *ite << " "; cout << endl; /*1 3 4 9 11 21 100*/ ......
max-heap实现priority_queue
priority_queue带权值的queue，顺序入队之后，按照权值的大小出队。max-heap正好可以满足这个需求，max-heap的堆顶元素总是最大的。priority_queue在实现上已vector为底层容器，这与queue相差很大。
template<class _Ty,
class _Container = vector<_Ty>,
class _Pr = less<typename _Container::value_type> >
class priority_queue
{......}
本文完 2012-10-19
