C++ STL容器那些你不知道的知识点

 

在c++中，容器指的是能够容纳各种数据类型的通用数据数据结构，是类模板。 比如set类模板：

template <class _Key, class _Compare = less<_Key>,

          class _Allocator = allocator<_Key> >

class _LIBCPP_TYPE_VIS_ONLY set

C++的容器主要分为三种：顺序容器、关联容器和容器适配器。

而访问容器元素我们需要迭代器（引入容器头文件就可以了，不需要单独因为头文件），迭代器有以下几个属性：

1.用于指向顺序容器和关联容器的元素

2.用法和指针类似

3.有const（容器类名::iterator 变量名）和非const两种(容器类名::const_iterator 变量名)

4.通过迭代器可以读取它指向的元素

5.非const迭代器和可以修改其指向的元素

顺序容器

何为顺序容器，也就是说元素的位置是顺序插入的，插入位置与元素的值无关,核心是容器没有排序。 顺序容器都具有以下10个成员函数：

#返回迭代器

begin

end

rbegin  //返回指向最后一个元素的迭代器

rend

#返回元素引用

front

back

#其他

erase（删除区间时返回被删除元素后面的迭代器；也可删除一个或几个元素）

clear

push_back

pop_back

顺序容器有以下三种：

1.vector动态数组 头文件<vetor>

元素在内存中是连续存放的。

随机存取时间：常数时间（因为可以通过下标直接访问到地址）。

在尾部增删元素通常是常数时间（正常是常数时间，如果超出了默认分配的元素个数，会重新分配存储空间，此时会消耗更多时间)。

在中间或者头部增删元素：o(n)（会移动其他元素的位置）。

迭代器类型：随机访问(支持下标访问、随机移动，例：a[i])。

查询时间：o(n)（因为没有排序，只能现行查找，效率较低）。

可见vector在中间或者头部增删元素性能较低。

优点：内存和C完全兼容、高效随机访问、节省空间

缺点：内部插入删除元素代价巨大、动态大小查过自身容量需要申请大量内存做大量拷贝。

构造函数：

vector();

vector(int n);

vector(int n, const T &a); //把n个元素初始化为a

vector(iterator first,iterator last); //初始化为其他容器上区间[first,last)一致的内容

常用成员函数

void pop_back();

void push_back(const T &val);

int size();

T & font();

T & back();

deque[读:dek，之前经常读dkju:]双向队列 头文件<deque>

元素在内存中连续存放（连续内存的容器有个明显的缺点，就是有新元素插入或老元素删除的时候，为了给新元素腾出位置或者填充老元素的空缺，同一块内存中的其他数据需要进行整体的移位，这种移位的拷贝代价有时是非常巨大的。deque实际上是分配到不同内存块，通过链表把内存块连在一起，再进行连续存放，是list与vector的折中）。

随机存取时间：常数时间（仅次于vector，因为有可能存在尾部的内存位置在头部之前的场景）。

在两端增删元素通常是常数时间。（deque不像vector没有容量，不需要重新分配内存空间。这是因为deque由动态分配的连续空间，即缓冲区，组合而成，随时可以增加一段新的空间链接起来。它没有必要像vector那样“因旧空间不足而重新分配2倍的空间，然后复制元素，再释放旧空间”。当重新分配缓冲区时，耗时增加）。

在中间插入：时间复杂度较高。

迭代器类型：随机访问（效率低于vector）。

查询时间：o(n)（原因同上）。

优点：高效随机访问、内部插入删除元素效率方便、两端push、pop效率很高 。

缺点：内存占用比较高 。

 

list双向链表 头文件<list>

元素在内存中不连续分配（因为指针可以获取前后元素的地址），所以不支持随机存取。

在任何位置增删元素时间：常数时间。

查询时间：o(n)（原因同上）。

迭代器类型：双向(不支持下标访问,不支持迭代器的比较运算符，和+-运算符)

优点：任意位置插入删除元素常量时间复杂度、两个容器融合是常量时间复杂度

缺点：不支持随机访问、比vector占用更多的存储空间

常用成员函数：（注意这些在顺序容器中都是list独有的）

push_front

pop_front

sort  //不支持STLsort算法

remove

unique

merge

reverse

splice

特别说明，list的sort函数有无参和compare两个版本

list<T> classname

classname.sort(compare);  //compare自定义

classname.sort();

关联容器（迭代器类型：双向）

关联的意思就是元素是排序的。

插入与检索元素时间： o(log(N))（因为通过红黑二叉树实现，时间与平衡二叉树一致）。

需要注意的是，STL中有些算法比如sort，binary_search需要通过随机访问迭代器访问容器中的元素，因此list以及关联容器就不能支持该算法！

主要包括以下4种：

set

multiset

map

multimap

除了个容器都有的成员函数外，它们都有以下成员函数

find

lower_bound

upper_bound

equal_range

count

insert

map与set的不同点在于，map中存放的元素有且仅有两个成员变量，first(类似于key),second(类似于value),map可以根据first对元素排序和检索。

set与multiset的不同在于，后者允许存在相同值的元素。 map与multimap的不同在于，后者允许存在相同的first值的元素。

容器适配器（不支持迭代器）

这个概念听起来有点抽象，其实就是STL帮我们抽象了实际工作中所需要的数据操作方式。举个栗子，交流电可以有任意的传输电压，但是实际生活中我们只需要220v就够了，变压器帮我们实现了这个基本的功能。同理，容器的操作方式多种多样，但是其实我们只需要他们按照实际的一些规范来操作即可。

他们都有以下3个成员函数：

push

top

pop

STL中的排序，查找，变序算法都不适合容器适配器（因为容器适配器的元素位置不可随意改变，并且访问有一定的访问规则，不支持随机访问）。

stack 栈 头文件<stack>

是一个有限序列，并满足序列中被删除、检索和修改的项只能是最近插入序列的项（栈顶项）。也即，先进先出LIFO。

可以用vector,deque，list（性能最差）实现，编译器缺省是用deque实现的。

比如，在程序调试中，错误堆栈就是一种应用。

queue 队列 头文件 <queue>

插入只可以在尾部进行，删除、检索和修改只允许从头部进行。先进先出FIFO。

queue由于pop，push发生在对头，所以不能用vector实现，可以用list，deque实现，编译器缺省用deque实现。

比如，应用于需要保证消息顺序性的场景，如消息队列。

priority_queue 优先级队列 头文件<queue>

最高优先级元素总是第一个出列。

它需采用堆排序来保证元素总是在最前面，因此要求随机访问，所以不能使用list实现，可以用vector和deque实现，编译器缺省情况下用vector实现。

比如，操作系统的线程的调度算法，有的是按照优先级来调度的。

总结

 

1.如果需要随机访问，用vector；

2.如果存储元素的数目已知，用vector；

3.需要任意位置随机插入删除，用list；

4.经常在容器的首部尾部插入删除元素，用deque；

5.元素结构复杂用list，也可以用vector存储指针(需要额外的精力去维护内存)，看需求；

6.如果操作是基于键值，用set/map；

7.如果需要经常的搜索，用map/set。

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