STL 源码剖析之四：序列式容器

stl里的容器按元素在容器内的排列方式，可以分为序列式和关联式两种。

 

所谓序列式容器，其中的元素时可序的，即元素集合呈线性关系。

 

C++本身提供了一个序列式容器array，stl提供了vector，list，deque，stack，queue，priority_queue等序列容器。其中stack和queue由于只是将deque盖头换面，在技术上称之为适配器。

 

1、Vector

vector的元素存储和访问方式和array很相似，唯一的不同就在于弹性。array是静态空间，一旦配置了就不能改变；vector是动态空间，随着元素的增多或减少，其配置空间的大小可以动态改变。

 

vector的迭代器：由于vector使用的是连续线性的空间，所以其迭代器实际就是原生指针，这显然是个Random Access Iterator。

 

空间配置策略：从效率考虑，当插入元素的时候，如果配置的空间不足，则扩充空间至当前的两倍，如果任然不足则扩充至所需空间。 插入或删除元素时，涉及元素的拷贝和初始化。

 

2、List

list是一个双向链表，每次插入或删除一个元素，就分配或释放一个元素的空间；所以list对空间的控制十分精确，而且任何位置的插入或删除需要的时间都是常数。list和vector是两种最常用的容器，什么时候选用哪种容器，视元素的多寡、元素的构造复杂度（是否有trivial copy ctor，assignment opt）以及元素存取的行为特性。

 

list的迭代器：list不能再以原生指针作为迭代器，而需要定义特定的iterator类。list迭代器是一种Bidirectional Iterator，支持单步的前进或后退操作。list迭代器有一个重要特点，就是插入操作不会造成原有迭代器的实效，这对vector是不成立的。

 

list的结构：list不仅是一个双向链表，而且是一个带头结点的环状双向链表。

 

list的sort方法：list不能使用stl提供的通用sort算法，因为sort算法只接受Random Access Iterator，所以提供了自己的sort方法。sort方法的实现在另一篇中有描述。

 

3、Deque

vector是单向开口的连续线性空间，deque则是一种双向开口的连续线性空间。所谓双向开口，意思是可以在头尾分别做元素的的安插和删除操作；vector当然也可以在头尾两端做动作，但是其头部动作效率奇差。deque和vector最大的差异在于：deque允许在常数时间内对两端进行元素的安插或移除操作；deque没有所谓容量的概念，因为它是以分段的连续空间组合而成，随时可以增加一段空间拼接起来，不存在像vector那样“因空间不足而分配一块更大的空间然后复制元素”问题。

 

deque的迭代器：deque提供random access iterator，但并不是原生指标。其实现的复杂度也很大，这也影响到相关算法的效率。所以如非必要，应该尽量使用vector而不是deque。对的确进行排序时，可以先将元素复制到一个vector，排序后再复制回deque。

 

deque的存储结构：deque采用的是一种分段连续空间存储结构，采用一个map（不是stl中的map）来管理这些空间段。每个空间段的大小是固定的，当有新元素加入而空间不足时，就分配一个新的空间段。当空间段的个数增加时，可能需要分配一个更大的map。 deque的这种结构，是的其迭代器上的操作可能需要跨越空间段，因而具有相当的复杂度。

4、Stack

stack是一种先进后出的数据结构，只可以在顶端进行元素操作。如果有某种双向开口的数据结构，将其接口改变，符合“先进后出”的特性，就可以形成一个stack：deque和list都是这样的结构。

 

因此stack的实现非常简单，它以某种现有的容器作为存储的实现，定义新的接口。这种容器被称为container adapter。

template <class T, class Sequence=Deque<T> >

class stack

{

...

}

如上所示，stack默认使用deque来实现，你也可以使用list： stack<int, list<int> >;

 

stack不支持对元素的遍历，因此没有迭代器。

5、Queue

queue是一宗先进先出的数据结构，它的实现方案和stack基本一样。也是属于container adapter一类。可以基于deque和list。

queue没有迭代器。 

6、heap

heap并不是stl中的一种容器，它实际是以vector作为完全二叉树的存储结构，再加上一些heap算法。它是priority_queue的背后英雄。

stl定义了一些heap操作的算法：包括建堆，push_heap,pop_heap，sort_heap等，基本上和《算法导论》堆排序一章介绍的一致。

7、Priority Queue

priority queue是一种拥有权值概念的queue，加入的元素按权值大小排列。priority_queue也是container adapter，它以vector为存储结构，再以heap算法进行处理：priority_queue的元素存放在一个vector当中，按元素权值排列成一个heap。

 

priority queue同样没有迭代器。