STL各容器的底层实现及其优缺点

STL各容器的底层实现及其优缺点

序列式容器

​ 序列式容器，即以线性排列（类似普通数组的存储方式）来存储某一指定类型（例如 int、double 等）的数据，需要特殊说明的是，该类容器并不会自动对存储的元素按照值的大小进行排序。C++本身提供了array序列式容器，也就是普通的数组。

1.vector

​ vector和array很相似，唯一的区别是，array是静态空间，大小一旦配置就无法更改。而vector是动态空间，更加灵活，随着元素的增加，其内部机制会自动扩容。vector所采用的数据结构为线性连续空间，为了防止频繁的扩容，vector在配置时一般会配置比用户需求更大的空间，这就是容量的概率。容量始终是大于等于vector实际大小的。当满载时，会以原大小的两倍配置一块新空间，将原空间的内容拷贝过来，释放原空间。这时要注意原有的迭代器都会失效。

​ 由于vector底层线性连续空间的特点，其在尾部插入、删除元素的效率最高，为O(1)。但其它位置的插入删除效率为O(n)。vector是随机存取的，所以访问任意的效率较高。

2.list

​ 相较于vector的连续线性空间，list每次插入或删除一个元素，就是配置获释放一个元素空间。list是一个双向列表，其底层数据结构为一个双向环状列表，通过在环状列表尾部添加一个空节点，使其满足STL前闭后开的要求。

​ 因为双向链表的特点，list插入删除元素的效率为O(1)；但访问任意元素的速度较慢，因为其不支持随机访问，只能从头尾开始遍历。

3.deque

​ deque表现为一个双向列表。其底层实现是，动态的分段连续空间，不同于vector的一整块连续空间，deque是通过中控器将分散的内存块连成一块，并动态的增加减少，可以说是逻辑上的连续空间。也因为其底层实现的复杂，除非必要，应尽量使用vector。对于deque的排序，为了提高效率，可以先复制到vector中排序，然后再复制回deque。

​ 得益于deque的底层实现，其在头尾插入删除元素为O(1)，但在任意位置插入删除元素的时间复杂度为O(n)。

4. Stack，queue

​ stack，queue都是容器配接器，其底层是基于其它容器实现。stack的特点是元素先进后出，queue的特点是先进后出。

5. priority_queue

​ 优先队列，是一个带有价值观念的queue，其内的元素并非按照被推入的顺序排列，而是自动按照元素的权值排列。权值最高者，排在最前面。缺省情况下，STL中的priority_queue基于一个max_heap(大根堆)，而后者是一个vector变现的完全二叉树(complete binary tree)。

关联式容器

​ 关联式容器不同于序列式容器，在存储元素值的同时，还会为各元素额外再配备一个值（称为“键”），它的功能是在使用关联式容器的过程中，如果已知目标元素的键的值，则直接通过该键就可以找到目标元素，而无需再通过遍历整个容器的方式。弃用序列式容器，转而选用关联式容器存储元素，往往就是看中了关联式容器可以快速查找、读取或者删除所存储的元素，同时该类型容器插入元素的效率也比序列式容器高。

面对关联式容器，应该使用容器所提供的find函数来搜寻元素，会比STL算法find()更有效率。因为STL算法find()只是循环搜寻。

关联式容器没有所谓头尾，只有最大、最小元素，所以没有，push_back(),pus_front()这类的操作。

1. map, set , multimap, multiset

​ 之所以把这四种容器放在一起，是因为它们的底层实现都是基于红黑树。

​ map的特性是，所有元素会依据元素的键值自动被排序。map的所有元素都是pair，即键值对（value和key)，map不允许拥有相同的键值。map不允许修改键值，允许修改实值。

​ set的特性是，所有元素会依据元素的键值自动被排序。set的元素，键值就是实值，实值就是键值，set不允许两个元素有相同的元素。同时，由于set元素的特点，set的元素值是只读的，因为set的值是其排列规则的依据，如果随意修改，会破坏set 的组织。

​ multimap，multiset和map，set的唯一区别就是前者允许键值重复。

2. unordered_map，unordered_set, unordered_multimap, unordered_multiset

​ 这四种容器和非unordered版本的区别在于其底层实现，这四种均是基于hash表实现，所以默认是没有顺序的。

​ 选择依据：

• 基于RB-tree的关联式容器，空间占用率高，因为map内部实现了红黑树，虽然提高了运行效率，但是因为每一个节点都需要额外保存父节点、孩子节点和红/黑性质，使得每一个节点都占用大量的空间。其查找时间复杂度为O(logn)。此外，容器内的元素是有序的。
• 基于hash表的关联式容器，建表的过程时间消耗大，查找效率高，为O(1)，适用于有频繁的查找的情况。元素内的元素是无序的。