【C++】12.序列与关联容器[深蓝学院C++第10章]

前言

 

一.容器概述

一种特殊的类型，其对象可以放置其他类型的对象（元素）

需要支持的操作：通常包括添加、删除、索引、遍历

有多种算法可以实现容器，每种方法各有利弊

1.1 分类

序列容器：其中的对象有序排列，一般使用下标进行索引

关联容器：其中的对象顺序并不重要，使用键进行索引

适配器：调整原有容器的行为，使其对外展现出新的类型、接口或返回新的元素

生成器：构造元素序列

1.2 迭代器

用于指定容器中的一段区间，以执行遍历、删除等操作

获取迭代器：(c)begin/(c)end，带c的是const。rbegin和rend，逆向遍历

 

 分为5类、5种categary，不同的类别支持的操作集合不同

（1）input iterator

（2）output interator

（3）forward interator:兼具input和output

（4）bidirectional iterator，双向

（5）random access iterator，可以++、--

二.序列容器

2.1 标准库提供的序列容器

（1）array,元素固定的序列容器

（2）vector，元素连续存储的序列容器

（3）forward_list/list，基于链表、双向链表的容器

（4）deque，vector和list的这种，双向队列

（5）basic_string，提供了对字符串专门的支持

需要指定元素类型来实例化

不同的容器所提供的接口大致相同，容器不同其内部复杂度不同

对于复杂度过高的操作，提供相对较难使用的接口或者不提供相应的接口

2.2 array

具有固定长度的容器，其内部维护了一个内建数组，与内建数组相比提供了复制

接口：

（1）构造，std::array<int,用户指定size> a = {集合初始化};

（2）读取成员类型：value_type等

（3）元素访问，[]、at、front、back、data(传入数组指针)

（4）容器相关：empty、size、max_size

（5）填充和交换：fill、swap

（6）比较操作：<=> spaceship operator，用来返回比较结果的枚举值，按照字典序来比较

（7）迭代器，begin、end

2.3 vector

元素可变

接口：

（1）与array相似

（2）容量相关的：capacity容量、reserve翻转、shrink_to_fit削减多余的空间

（3）附加元素接口：push_back、emplace_back

（4）元素插入接口：insert、emplace

（5）元素删除接口：pop_back、erase、clear

注意：

（1）vector不提供push_front、pop_front,可以使用insert(造成后挪)、erase(造成前挪)模拟但比较慢

（2）swap效率较高

（3）写操作可能导致迭代器失效

2.4 list

双向链表

与vector相比，list：

（1）插入、删除成本较低，但随机访问成本较高

（2）提供了pop_front、splice等接口，splice可以把某list一次性挪入另外一个list

（3）写操作通常不会改变迭代器的有效性

forward_list的特性：

（1）单向链表，一个成本比较低的线性表实现

（2）其迭代器只支持递增操作，无rbegin和rend

（3）不支持size

（4）不支持pop_back和push_back

（5）xxx_after操作，只能在某个元素后面作一系列操作

2.5 deque

双向队列/双端队列，是vector和list的折中

特性：

（1）push_back/push_front速度较快

（2）在序列中间插入、删除较慢

2.6 basic_string

实现了字符串相关的接口

特性：

（1）使用char实例化出std::string

（2）提供了如find、substr等字符串特有的接口

（3）提供了数值与字符串转换的接口，to_string,stoi\stol等

（4）针对短字符串的优化，略

 

三.关联容器

关联容器，存在某种映射

3.1 索引

使用键进行索引

set/map/multiset/multimap

unordered_set / unordered_map / unordered_multiset / unordered_multimap

3.2 底层实现

set/map/multiset/multimap底层使用红黑树实现，有序方便搜索

unordered_xxx底层使用hash表实现，以便快速地查询是否元素已存在

3.3 set

底层用红黑树来实现，是一个二叉平衡搜索树

 

特性：

（1）从映射角度来理解，set中有某个元素时value为true、没有某个元素时value为false

（2）从有序角度来理解，set中的顺序是不重要的，但实际在存储时是有序的

功能：

（1）通常元素需要支持使用<比较大小，以便排序

（2）可以指定less或greater，或引入自定义的比较函数来比较大小关系

（3）插入元素，insert、emplace、emplace_hint（给出提示，提高插入速度）

（4）删除元素，erase

（5）访问元素，find、contains

（6）修改元素，extract返回节点对象，可以设置它的.value()

注意：set迭代器所指向的对象是const的，不能通过其修改元素

3.4 map

 

 特性：

（1）树中每个节点是一个std::pair，->first为键，->second为value

（2）键需要支持使用<比较大小

（3）或者采用自定义的比较函数来引入大小关系

（4）访问元素：find、contains、[]、at，[]访问时如果没有key会自动创建

（5）删除元素：erase(key)

注意：

（1）map迭代器所指向的对象是std::pair，其键是const

（2）[]操作不能用于常量对象

3.5 multiset和multimap

与set和map类似，但允许重复键

元素访问：

（1）find返回首个查找到的元素

（2）count返回元素个数

（3）lower_bound/upper_bound/equal_range返回查找到的区间，lower和upper是找到的上下界，equal是起止迭代器

3.6 unordered_set/unordered_map/unordered_multiset/unordered_multimap

 

 unordered，无序的

使用hash作键

特性：

（1）与set、map相比查找性能更好

（2）插入操作一些情况下会慢

（3）键需要支持两个操作，1是转换为hash值，2是判等

（4）除==和!=外，不支持容器级的关系运算，==和!=的运算较慢

（5）自定义hash与判等函数

 

四.适配器与生成器

4.1 类型适配器

basic_string_view

basic_string_view中的basic_string是一个字符容器，用于解决char*和string转换时的开销，统一起来方便使用

void fun(std::string_view str){

　　if(str.empty()) xxx;

}

可以直接传入char*或string

特性：

（1）可以基于std::string，C字符串，迭代器这三者进行构造

（2）构造成本很低，提供成本较低的操作接口

（3）只提供读，不可进行写操作

span

void fun(std::span<int> input){

　　input可以用for-range进行访问

}

int a[3]={1,2,3};

fun(a);

span是C++20引入的，提供对连续对象的封装

（1）可基于C数组、array等构造

（2）可读写

4.2 接口适配器

stack/queue/priority_queue

对底层序列容器进行封装，对外展现栈、队列与优先队列的接口

priority_queue在使用时其内部包含的元素需要支持比较操作

4.3 数值适配器

c++20引入，暂略

4.4 生成器

c++20引入，暂略