Qt——容器类（译）

注：本文是我对Qt官方文档的翻译，错误之处还请指正。

原文链接：Container Classes

 

介绍

Qt库提供了一套通用的基于模板的容器类，可以用这些类存储指定类型的项。比如，你需要一个大小可变的QString的数组，则使用QVector<QString>。

这些容器类比STL（C++标准模板库）容器设计得更轻量、更安全并且更易于使用。如果对STL不熟悉，或者倾向于用“Qt的方式”，那么你可以使用这些类，而不去用STL的类。

这些容器类是隐式共享的（可参考我的一篇博文）、可重入的，并且对速度、内存消耗等进行了优化。除此之外，当它们作为只读的容器时是线程安全的，所有线程都可以使用它们。

你可以用两种方式遍历容器内存储的项：Java风格的迭代器和STL风格的迭代器。Java风格的迭代器更易于使用，并且提供了更高级的功能；STL风格的迭代器更高效，并且可以和Qt与STL的泛型算法一起使用。

Qt还提供了foreach关键字使我们方便地遍历容器中的项。

 

容器类

Qt提供了几个有序容器：QList、QLinkedList、QVector、QStack和QQueue。大多数时候，QList是最好的选择，虽然是用数组实现的，但在它的首尾添加元素都非常快。如果你需要一个链表（linked-list）就用QLinkedList；想要你的项在内存中连续存储，就使用QVector。QStack和QQueue（栈和队列）分别提供了后进先出（LIFO）和先进先出（FIFO）的机制。

Qt还有一些关联容器：QMap、QMultiMap、QHash、QMultiHash、QSet。“Multi”容器支持一个键对应多个值。“Hash”容器在有序集合上使用hash函数进行快速的查找，而没有用二叉搜索。

作为特殊的情况，QCache和QContiguousCache类在有限的缓存中提供对对象高效的哈希查找。

类	概述
QList<T>	这是目前使用最频繁的容器类，它存储了指定类型(T)的一串值，可以通过索引来获得。本质上QList是用数组实现的，从而保证基于索引的访问非常快。可以通过QList::append()和QList::prepend在两端添加项，或者通过QList::insert()在中间插入项。QStringList是从QList<QString>得到的。
QLinkedList<T>	类似于QList，但它使用迭代器而不是整数索引来获得项。当在一个很大的list中间插入项时，它提供了更好的性能，并且它有更好的迭代器机制。（只要那一项存在，指向那一项的迭代器依然保持有效。但插入或移除之后，QList中的迭代器可能会失效）
QVector<T>	在内存中相邻的位置存储一组值，在开头或中间插入会非常慢，因为它会导致内存中很多项移动一个位置。
QStack<T>	QVector的一个子类，提供后进先出的机制。在当前的QVector中增加了几个方法：push()、pos()、top()。
QQueue<T>	QList的一个子类，提供了先进先出的机制，在当前的QList中增加了几个方法：enqueue()、dequeue()、head()。
QSet<T>	单值的数学集合，能够快速查找。
QMap<Key, T>	提供了字典（关联数组）将类型Key的键对应类型T的值。通常一个键对应一个值，QMap以Key的顺序存储数据，如果顺序不重要，QHash是一个更快的选择。
QMultiMap<Key, T>	QMap的子类，提供了多值的接口，一个键对应多个值。
QHash<Key, T>	和QMap几乎有着相同的接口，但查找起来更快。QHash存储数据没有什么顺序。
QMultiHash<Key, T>	QHash的子类，提供了多值的接口。

 

容器是可嵌套的。比如当键是QString类型、值是QList<int>类型时，用QMap<QString, QList<int> >是最好的选择，唯一的缺点是你必须在结尾的两个尖括号(>)之间插入一个空格，否则C++编译器可能会误将两个>当作右移运算符来解释，出现语法错误。

存储在容器中的值可以是任何可赋值的数据类型，为了达到这一点，一个类型必须有默认构造函数、拷贝构造函数还有一个赋值运算符。这个已经涵盖了大多数你可能想要存在容器中的类型，包括基本类型，比如int和double、指针类型，还有Qt中的类型，比如QString、QDate和QTime，但是它不包括QObject或者QObject的子类(QWidget, QDialog, QTimer等等)。如果你尝试使用QList<QWidget>，编译器可能会提示QWidget的拷贝构造函数和赋值操作符不可用。所以如果你想在容器中存储这些类型，把它们当做指针就行了，比如QList<QWidget *>。

这里有一个例子，达到可赋值的数据类型条件的一个普通数据类型：

class Employee
{
public:
    Employee() {}
    Employee(const Employee &other);

    Employee &operator=(const Employee &other);

private:
    QString myName;
    QDate myDateOfBirth;
};

如果我们没有提供拷贝构函数或赋值运算符，C++会提供“一个值一个值地赋值”的默认实现。而且，如果你没有提供任何构造函数，C++将提供一个默认的构造函数，使用默认构造函数初始化它的成员。虽然没有任何显式的构造函数或赋值运算符，下面的数据类型可以被存在容器中：

struct Movie
{
    int id;
    QString title;
    QDate releaseDate;
};

有些容器对它们能够存储的数据类型有特殊的要求，例如QMap<Key, T>键Key的必须提供<()运算符。在一些情况中，特定的函数有特殊的要求，达不到要求的话编译器将会报错。

Qt的容器提供运算符<<()和运算符>>()，这样一来它们很容易使用QDataStream来读写，这意味着容器中的数据类型也必须支持运算符<<()和>>()。我们可以对上面的Movie类做一些事：

QDataStream &operator<<(QDataStream &out, const Movie &movie)
{
    out << (quint32)movie.id << movie.title
        << movie.releaseDate;
    return out;
}

QDataStream &operator>>(QDataStream &in, Movie &movie)
{
    quint32 id;
    QDate date;

    in >> id >> movie.title >> date;
    movie.id = (int)id;
    movie.releaseDate = date;
    return in;
}

 

迭代器类

迭代器提供了获得容器中项的一套方法，Qt容器类有两种类型的迭代器：Java风格的以及STL风格的。当调用非const的成员函数将容器中的数据从隐式共享的拷贝中修改或分离时，两种迭代器都会失效。

Java风格的迭代器

Java风格的迭代器在Qt4中加入，比STL风格的迭代器更易于使用，但是以轻微的效率作为代价，它们的API以Java的迭代器类为模型。

对于每个容器类，都有两种Java风格的迭代器类型：一种是只读，另一种是可读写。

容器	只读迭代器	可读写迭代器
QList<T>, QQueue<T>	QListIterator<T>	QMutableListIterator<T>
QLinkedList<T>	QLinkedListIterator<T>	QMutableLinkedListIterator<T>
QVector<T>, QStack<T>	QVectorIterator<T>	QMutableVectorIterator<T>
QSet<T>	QSetIterator<T>	QMutableSetIterator<T>
QMap<Key, T>, QMultiMap<Key, T>	QMapIterator<Key, T>	QMutableMapIterator<Key, T>
QHash<Key, T>, QMultiHash<Key, T>	QHashIterator<Key, T>	QMutableHashIterator<Key, T>

 

在这里，我们只关注QList和QMap。QLinkedList、QVector和QSet与QList的迭代器有同样的接口；QHash与QMap迭代器也有同样的接口。

与STL风格的迭代器不同，Java风格的迭代器指向项之间的位置，而不是直接指向项。由于这个原因，它们指向第一项之前，或者最后一项之后，或者两项之间。下面的图展示了包含4项的list的有效的迭代器位置，用红色箭头表示：

下面是一个典型的例子，迭代器按顺序循环遍历QList<QString>的所有元素，并把它们打印到控制台上：

QList<QString> list;
list << "A" << "B" << "C" << "D";

QListIterator<QString> i(list);
while (i.hasNext())
    qDebug() << i.next();

流程是这样的：将要遍历的Qlist被传到QListIterator的构造函数，这时迭代器定位在list的第一项之前（"A"之前），接下来我们调用hasNext()来检测迭代器后面是否有一项，如果有，我们调用next()来跳过那一项，next()函数返回它跳过的那一项。对一个QList<QString>来说，那一项的类型是QString。

下面是如何在QList中倒序遍历：

QListIterator<QString> i(list);
i.toBack();
while (i.hasPrevious())
    qDebug() << i.previous();

代码和正序遍历是对称的，我们调用toBack()将迭代器移到最后一项后面的位置。

下图描述了在一个迭代器上调用next()和previous()函数的效果：

下面的表概括了QListIterator的API：

函数	用途
toFront()	将迭代器移到list的最前面(在第一个项之前)
toBack()	将迭代器移到list的最后面 (最后一项之后)
hasNext()	如果迭代器没有到list的最后则返回true
next()	返回下一项，并将迭代器向前移动一个位置
peekNext()	返回下一项，不会移动迭代器
hasPrevious()	如果迭代器没有到list的最前面则返回true
previous()	返回上一项，并将迭代器移到上一个位置
peekPrevious()	返回上一项，不会移动迭代器

 

QListIterator没有提供从list中插入或移除项的函数，想要实现插入和移除，你必须使用QMutableListIterator。下面举例说明使用QMutableListIterator从QList<int>中移除所有奇数。

QMutableListIterator<int> i(list);
while (i.hasNext()) {
    if (i.next() % 2 != 0)
        i.remove();
}

每次循环都会调用next()，它跳过list中的下一项，然后remove()函数移除我们刚刚从list中跳过的那一项，调用remove()不会使迭代器失效，所以它是安全的，我们可以继续使用它。在倒序遍历中同样有效：

QMutableListIterator<int> i(list);
i.toBack();
while (i.hasPrevious()) {
    if (i.previous() % 2 != 0)
        i.remove();
}

如果想修改某项的值，我们可以使用setValue()，下面的代码中，我们用128来替换所以大于128的值：

QMutableListIterator<int> i(list);
while (i.hasNext()) {
    if (i.next() > 128)
        i.setValue(128);
}

和remove()一样，setValue()操作我们刚刚跳过的那一项。如果是正序遍历，这一项在当前迭代器之前；如果是倒序遍历，这一项在当前迭代器之后。

next()函数返回list中这一项的非const引用，简单点，我们甚至连setValue()都不需要：

QMutableListIterator<int> i(list);
while (i.hasNext())
    i.next() *= 2;

正如上面所说，QLinkedList、QVector还有QSet的迭代器类和QList的迭代器有着相同的API。现在，我们来看看QMapIterator，有点不同，因为他在键值对上遍历。

类似于QListIterator，QMapIterator提供了toFront()、toBack()、hasNext()、next()、peekNext()、hasPrevious()、previous()以及peekPrevious()。键和值的部分通过调用next()、peekNext()、previous()或peekPrevious()返回的对象的key()和value()来获得。

下面的例子中，移除所有首都名字以“City”结尾的一对(capital, country)：

QMap<QString, QString> map;
map.insert("Paris", "France");
map.insert("Guatemala City", "Guatemala");
map.insert("Mexico City", "Mexico");
map.insert("Moscow", "Russia");
...

QMutableMapIterator<QString, QString> i(map);
while (i.hasNext()) {
    if (i.next().key().endsWith("City"))
        i.remove();
}

QMapIterator还提供了直接在迭代器上操作的key()和value()函数，返回迭代器跳过的上一项的键和值。比如，下面的代码把QMap中的内容复制到QHash中：

QMap<int, QWidget *> map;
QHash<int, QWidget *> hash;

QMapIterator<int, QWidget *> i(map);
while (i.hasNext()) {
    i.next();
    hash.insert(i.key(), i.value());
}

如果想要使用同一个值遍历所有项，我们使用findNext()或findPrevious()。下面例子中，我们移除所有带有某个特定值的项：

QMutableMapIterator<int, QWidget *> i(map);
while (i.findNext(widget))
    i.remove();

STL风格的迭代器

自从Qt2.0发布就可以使用STL风格的迭代器了，它们适用于Qt和STL的泛型算法，并且对速度作了优化。

对于每个容器类，有两种STL风格的迭代器类型：只读的和可读写的。尽可能使用只读的迭代器，因为它们比可读写的迭代器要快。

容器	只读迭代器	可读写的迭代器
QList<T>, QQueue<T>	QList<T>::const_iterator	QList<T>::iterator
QLinkedList<T>	QLinkedList<T>::const_iterator	QLinkedList<T>::iterator
QVector<T>, QStack<T>	QVector<T>::const_iterator	QVector<T>::iterator
QSet<T>	QSet<T>::const_iterator	QSet<T>::iterator
QMap<Key, T>, QMultiMap<Key, T>	QMap<Key, T>::const_iterator	QMap<Key, T>::iterator
QHash<Key, T>, QMultiHash<Key, T>	QHash<Key, T>::const_iterator	QHash<Key, T>::iterator

 

STL迭代器的API是以数组中的指针为模型的，比如++运算符将迭代器前移到下一项，*运算符返回迭代器所指的那一项。事实上，对于QVector和QStack，它们的项在内存中存储在相邻的位置，迭代器类型正是T *，const迭代器类型正是const T *。

在讨论中，我们重点放在QList和QMap，QLinkedList、QVector和QSet的迭代器类型与QList的迭代器有相同的接口；同样地，QHash的迭代器类型与QMap的迭代器有相同的接口。

下面是一个典型例子，按顺序循环遍历QList<QString>中的所有元素，并将它们转为小写：

QList<QString> list;
list << "A" << "B" << "C" << "D";

QList<QString>::iterator i;
for (i = list.begin(); i != list.end(); ++i)
    *i = (*i).toLower();

不同于Java风格的迭代器，STL风格的迭代器直接指向每一项。begin()函数返回指向容器中第一项的迭代器。end()函数返回指向容器中最后一项后面一个位置的迭代器，end()标记着一个无效的位置，不可以被解引用，主要用在循环的break条件。如果list是空的，begin()等于end()，所以我们永远不会执行循环。

 下图展示了一个包含4个元素的vector的所有有效迭代器位置，用红色箭头标出：

倒序遍历需要我们在获得项之前减少迭代器，这需要一个while循环：

QList<QString> list;
list << "A" << "B" << "C" << "D";

QList<QString>::iterator i = list.end();
while (i != list.begin()) {
    --i;
    *i = (*i).toLower();
}

在上面的代码中，我们使用一元运算符*来获得存储在某个迭代器位置的项，然后我们调用QString::toLower()，大多数C++编译器还允许我们使用i->toLower()，但有些不允许。

如果是只读的，你可以使用const_iterator、constBegin()和constEnd()，比如：

QList<QString>::const_iterator i;
for (i = list.constBegin(); i != list.constEnd(); ++i)
    qDebug() << *i;

下面的表概括了STL风格迭代器的API：

表达式	用途
*i	返回当前项
++i	将迭代器指向下一项
i += n	迭代器向前移动n项
--i	将迭代器指向上一项
i -= n	将迭代器你向后移动n项
i - j	返回迭代器i和j之间项的数目

 

++和--运算符可以使用前缀(++i, --i)和后缀(i++, i--)的形式，前缀的版本修改迭代器并返回修改后迭代器的引用，后缀版本在修改之前先复制迭代器，然后返回它的拷贝。在不需要考虑返回值的情况下，我们推荐使用前缀运算符(++i, --i)，因为它们稍微快一点。

对于非const的迭代器类型，一元运算符*可以被用在赋值运算符的左边。

对于QMap和QHash，*运算符返回项的值，如果你想要获得键，只需在迭代器上调用key()。为了对称，迭代器类型还提供了value()函数来获得值。举个例子，下面是如何将QMap中的所有项打印到控制台上：

QMap<int, int> map;
...
QMap<int, int>::const_iterator i;
for (i = map.constBegin(); i != map.constEnd(); ++i)
    qDebug() << i.key() << ":" << i.value();

幸好有隐式共享，函数返回容器中的每个值效率很高。Qt的API包含很多返回QList或QStringList值的函数（比如QSplitter::sizes()）。如果想要使用STL迭代器遍历它们，你应该存储一个拷贝，并在拷贝上进行遍历。比如：

// RIGHT
const QList<int> sizes = splitter->sizes();
QList<int>::const_iterator i;
for (i = sizes.begin(); i != sizes.end(); ++i)
    ...

// WRONG
QList<int>::const_iterator i;
for (i = splitter->sizes().begin();
        i != splitter->sizes().end(); ++i)
    ...

当函数返回容器的const或非const的引用，这个问题将不会发生。

 

foreach关键字

如果你想要按顺序遍历容器中的所有项，你可以使用Qt的foreach关键字。这个关键字是Qt特有的，与C++语言无关，并且使用了预处理器实现。

它的语法是：foreach (variable, container) statement。比如，下面是如何使用foreach遍历QLinkedList<QString>：

QLinkedList<QString> list;
...
QString str;
foreach (str, list)
    qDebug() << str;

foreach代码明显比使用迭代器的代码少：

QLinkedList<QString> list;
...
QLinkedListIterator<QString> i(list);
while (i.hasNext())
    qDebug() << i.next();

除非数据类型包含一个逗号（比如QPair<int, int>），用于遍历的变量可以在foreach语句中定义：

QLinkedList<QString> list;
...
foreach (const QString &str, list)
    qDebug() << str;

和其它任何C++循环一样，你可以在foreach循环中把主体放在括号里，而且你可以使用break来结束循环：

QLinkedList<QString> list;
...
foreach (const QString &str, list) {
    if (str.isEmpty())
        break;
    qDebug() << str;
}

在QMap和QHash中，foreach可以获得键值对中值的部分。如果你遍历既想获得键又想获得值，则可以使用迭代器（这样是最快的），或者你可以这样写：

QMap<QString, int> map;
...
foreach (const QString &str, map.keys())
    qDebug() << str << ":" << map.value(str);

对于一个多值的（multi-valued）map：

QMultiMap<QString, int> map;
...
foreach (const QString &str, map.uniqueKeys()) {
    foreach (int i, map.values(str))
        qDebug() << str << ":" << i;
}

当进入foreach循环时Qt自动获得容器的一份拷贝，如果想修改你所遍历的容器，并不会影响循环。

foreach创建了容器的一份拷贝，使用变量的非const引用可以禁止你修改最初的容器，但它会影响拷贝，这也许是你不愿看到的。

 

其它类似容器的类

Qt提供了三个模板类，在一些方面与容器有点像。这些类不提供迭代器，而且不能使用foreach关键字。

• QVarLengthArray<T, Prealloc>提供一个低级的可变长度的数组，当速度特别重要的时候，它可以被用来替换QVector。
• QCache<Key, T>提供缓存，用来存储和Key类型键相关联的T类型的对象。
• QContiguousCache<T>提供了一种缓存可连续获得的数据的有效方式。
• QPair<T1, T2>存储一对元素。

其它类似于模板容器的非模板类型有QBitArray、QByteArray、QString和QStringList。

 

算法复杂度

算法复杂度关注当容器中项的数目增长时，函数有多快。例如，在QLinkedList中间插入一项是非常快的，无论其中存了多少项。另一方面，在QVector中项很多时，在中间插入一项是非常低效的，因为一半的项必须在内存中移动位置。

为了描述算法复杂度，我们使用下面的术语，基于“大O”标记法：

常量时间：O(1)。

指数时间：O(log n)。

线性时间：O(n)。

线性指数时间：O(nlog n)。

平方时间：O(n²)。

下面的表概括了Qt顺序容器的算法复杂度：

	按索引查找	插入	在前面增加	在后面增加
QLinkedList<T>	O(n)	O(1)	O(1)	O(1)
QList<T>	O(1)	O(n)	Amort. O(1)	Amort. O(1)
QVector<T>	O(1)	O(n)	O(n)	Amort. O(1)

 

在表中，“Amort”指的是“平摊行为”。比如，“Amort.O(1)”指的是如果你只调用函数1次，你可能得到O(n)，但如果你多次调用，平均下来将是O(1)。

下面的表概括了Qt关联容器的算法复杂度：

	关键字查找		插入
	平均	最坏情况	平均	最坏情况
QMap<Key, T>	O(log n)	O(log n)	O(log n)	O(log n)
QMultiMap<Key, T>	O(log n)	O(log n)	O(log n)	O(log n)
QHash<Key, T>	Amort. O(1)	O(n)	Amort. O(1)	O(n)
QSet<Key>	Amort. O(1)	O(n)	Amort. O(1)	O(n)

 

增长策略

QVector<T>、QString和 QByteArray在内存中连续存储它们的项；QList<T>维护一个指向每一项指针的数组，从而提供快速的基于索引的获得方法；QHash<Key, T>维护一个哈希表，它的大小与其中项的个数成比例。为了避免每次在容器末尾增加一项就分配一次内存，这些容器比实际需要的分配了更多的内存。

我们考虑下面的程序，根据一个QString来建立另一个QString：

QString onlyLetters(const QString &in)
{
    QString out;
    for (int j = 0; j < in.size(); ++j) {
        if (in[j].isLetter())
            out += in[j];
    }
    return out;
}

我们通过一次增加一个字符来动态地建立字符串。假设需要增加15000个字符，当字符串空间不够时，将会发生18次重新分配内存：4, 8, 12, 16, 20, 52, 116, 244, 500, 1012, 2036, 4084, 6132, 8180, 10228, 12276, 14324, 16372。最后，QString有16372个Unicode字符被分配，15000个被占用。

这些值可能看起来有点奇怪，下面是增长的规则：

• 1.QString一次分配4个字符，直到它增长到20。
• 2.从20到4084，每次增长一倍，更准确地说，增长到下一个2的次方，减去12。
• 3.从4084往后，每次增长2048个字符（4096字节）。这是因为当重新分配时，现代操作系统不会复制所有数据；物理内存被简单地重新排序，只有第一页和最后一页的数据需要被拷贝。

QByteArray和QList<T>使用了与QString差不多的算法。

QVector<T>对一些数据类型也使用同样的算法，这些数据类型可以使用memcpy()在内存中移动（包括基本的C++类型，指针类型以及Qt的共享类）。但是QVector<T>对只能调用构造和析构函数来移动的数据类型使用了不同的算法，这些情况下重新分配内存的代价更高，当空间不够时，QVector<T>通过内存加一倍来减少再分配的次数。

QHash<Key, T>是一个完全不同的情况。QHash的内部哈希表以2的次方增长，每次增长时，项被定为到新的存储块中，通过qHash(key) % QHash::capacity()（存储快的数目）计算。这个机制同样适用于QSet<T>和QCache<Key, T>。

QVector<T>、QHash<Key, T>、QSet<T>、QString和QByteArray提供了一些函数，让你能够检测和确定存储这些项用了多少内存：

• capacity()返回内存分配的项的数目（对QHash和QSet来说，是hash表中存储块的数目）。
• reserve(size)显式地为size个项预分配内存。
• squeeze()释放不需要用来存储项的内存。

如果你知道在容器中大约要存储多少项，可以调用reserve()开始，当你在容器中存储结束，可以调用squeeze()来释放额外的预分配的内存。