STL小结——仿写TinySTL项目有感

六大组件：容器（类模板）、算法（函数模板）、迭代器（类模板，设计模式）、配置器（类模板）、配接器（容器适配器、函数配接器）、仿函数（类或类模板）。整个项目采用大多的是泛型编程的思想（模板机制）。使得多种数据类型在同一个算法或结构上都可以操作，在编译器就确定聚类数据类型。

 

（一）配置器

一般new都是要先申请空间，再在空间构造对象。delete是要先析构对象，再释放空间。

项目为了更好的分工，把对象的构造和析构（construct和destroy）、空间的申请和释放（malloc和自由链表）分成两大块。

一级配置器（class __malloc_alloc_template）：调用malloc和realloc，如果不成功，改调用oom_malloc和oom_realloc（抛出异常或exit(1)）。

二级配置器（class __default_alloc_template）：16个自由链表

内存配置过程：小于128bytes就找16个自由链表里面合适的那个链表（上调到8的倍数）还有没有，有就直接返回。如果没有，就向内存池申请所需块的大小挂到自由链表（refill/chunk_alloc()，可能获得20个新节点，也可能小于20个）。如果还是没有，使用malloc从堆中申请，申请的大小是需求的两倍（一倍放在自由链表，一倍放在内存池）。如果malloc还是失败，那再从剩下的自由链表找找。实在不行就bad_alloc异常。

 

（二）迭代器。

精髓在于trait思想。trait可以被称为萃取机，通过它来获取迭代器的一些信息，在STL里面发挥巨大作用。

template<class Iterator>
struct iterator_traits
{
    typedef typename Iterator::iterator_category iterator_category;
    typedef typename Iterator::value_type value_type;
    typedef typename Iterator::difference_type difference_type;
    typedef typename Iterator::pointer pointer;
    typedef typename Iterator::reference reference;
}
//下面针对原生指针。通过类模板的特化来支持原生指针。（模板偏特化）
template<class _Tp>
struct iterator_traits<_Tp*>
{
　　typedef ptrdiff_t difference_type;
　　typedef typename _Tp::value_type value_type;
　　typedef typename _Tp::pointer pointer;
　　typedef typename _Tp::reference reference;
　　typedef typename _Tp::iterator_category iterator_category;
}

可以通过iterator_traits<Iterator>::itereator_category获取迭代器的信息，如果要直接使用typename后面的那个简单一点的Iterator::iterator_type来获取迭代器的信息，前提是迭代器必须是一个类。但是实际上并不是所有的迭代器都是一个类，原生指针也是一种迭代器，但是原生指针不是类，所以没法定义内嵌型别typeof。

迭代器类别有五种。Input_Iterator是只读的，支持==/!=/++/*/->等操作。Output_Iterator是只写的，支持++/*等操作。

Forward_Iterator是单向一步的，可读写。Bidirection_Iterator是双向一步的。RandomAccess_Iterator是随机多步的。

 

（三）容器和适配器

STL容器有：vector、list双向链表、deque、map(unordered/multi)、set(unordered/multi)

适配器是将一个类的接口转换成客户希望的另一个接口。比如把香港插头转成内地插头。

STL容器适配器有：stack（可以使用deque做底层），queue（可以使用deque做底层），heap（平时虽然都是静态数组，但可以使用vector动态的来实现），priority_queue（使用vector[容器]和heap[push和pop算法]做底层），slist是单向链表。

序列式容器是通过元素在容器的位置，顺序存储和访问元素。关联式容器时通过键key来存储和读取元素。

分别从每个容器的迭代器、构造函数、属性获取来展开介绍。

（1）关于vector。

线性存储结构。需要三个迭代器分别指向数据的头（start）、数据的尾（finish）、数组的尾（end_of_storage）。

属性end()返回的是finish。

push_back函数，插入新元素的时候，会先检查是否有备用空间，如果有就直接在备用空间构造元素，并调整迭代器finish。如果没有备用空间，就要调用insert_aux函数扩充空间（重新配置-移动数据-释放原空间）。pop_back函数就是直接移动finish迭代器。

erase函数可以删除[first, last)范围中的所有元素，也可以删除指定迭代器位置的元素。删除范围内的元素，第一步要将finish迭代器后面的元素拷贝，然后返回拷贝完成的尾部迭代器，最后再删除。删除指定位置的就是将指定位置后面所有元素向前移动，最后析构最后一个元素。

insert函数分成三种情况。如果备用空间足够而且插入点后面的现有元素多于新增元素；如果备用空间足够而且插入点后面的现有元素少于新增元素；如果备用空间不够。

由于元素空间重新配置会导致之前的迭代器失效，比如插入元素或者删除元素。

优点：动态扩容，便于随机访问，节省空间。

缺点：插入删除的时间复杂度高，只能在末端pop和push，重分配麻烦。

（2）关于list。

双向链表，链式存储结构。有pre和next两个指针。可以头插和尾插。插入删除就是双向链表的。

优点：插入删除方便，两端可push和pop。

缺点：不支持随机访问，相比vector占用空间多。

（3）关于deque。

线性存储+链式存储（分段连续空间）。逻辑上也是线性存储。和vector的区别在于，deque可以在常数时间内插入删除（头尾都可以），但是deque没有容量概念，因为它是动态以分段连续空间组合而成，随时可以增加一块新的空间并拼接起来。

中控器：采用哈希（指针，缓冲区）作为deque的存储空间主体。其中缓冲区就是另外一段比较大的连续线性空间。每个缓冲区都设计了三个迭代器（cur表示当前所指的位置，first表示当前数组中头的位置，last表示当前数组中尾的位置）

优点：随机访问方便，插入删除方便，可在两端push和pop。

缺点：因为涉及比较复杂，采用分段连续空间，所以占用内存多。

（4）关于map和set。 只有前面带unordered的才是哈希表实现的，否则一定是红黑树实现的（因为要排序）

红黑树特性：每个节点都是红色或者黑色。根节点一定是黑色。红节点的左右一定是黑色。每个叶子节点一定是黑色。（三个一定黑）。从某节点到其所有叶子节点都包含相同数量的黑色节点。

 

 应用于Linux系统的网络epoll调用、虚拟内存管理、STL的set和map。

键是不能改变的，因为红黑树的排序的，如果改变键的话整棵树都乱了。

如果前缀带multi就是允许键重复，那就采用insert_equal，而不是insert_unique。

 

（三）算法

resize是直接改变容器内元素的数量，赋初始值。

reverse只是改变容器的最大容量，不会放值进去。如果reverse的容量大于之前的，那么会重新分配一块能存len个对象的空间，然后把之前的对象复制过来，再销毁之前的内存。