C++系列-STL标准库

STL组成

• 容器
• 配接器
• 算法
• 迭代器
• 仿函数
• 空间配置器

主要讲解容器和算法，不讲解其他的

容器分类

• 序列式容器:vector list deque stack queue heap priority_quue slist (queue和stack是配接器)
• 关联式容器:set map multiset multimap hash_set hash_map hash_multiset hash_multimap

vector

• 连续空间
• vector 动态空间
• array 静态空间
• 动态空间是以原大小的两倍进行扩充，重新分配时，迭代器会失效

主要操作有push_back pop_back erase clear insert size empty

初始化

#include <vector>

int main(){
    // size=0的vector
    vector<int> a;
    // 初始化size，但元素为默认值
    vector<int> b(10);
    // 初始化size并设置默认值
    vector<int> b(10,2);
}

list

• 非连续空间
• STL的list是一个环状双向链表
• 插入和删除操作都不会造成原迭代器失效

主要操作有:push_front push_back erase pop_front pop_back clear remove unique splice merge reverse sort size empty

内部定义了一个transfer函数，为splice sort merge等操作提供基础。功能是将连续范围内的元素迁移到某个特定位置之前

deque

• 双向开口的连续空间
• 两端插入和删除操作都是$O(1)$
• 分段连续空间组合而成，避免了重新配置、复制、释放的轮回
• 对deque的排序只能复制到一个vector 然后根据sort算法，再复制回deque

原理

• 用一个小块连续空间作为主控
• 每个元素都是指针，指向另一个大的连续线性空间，称为缓冲区
• 缓冲区才是deque存储空间的主题

主要操作有:push_front push_back pop_front pop_back clear erase insert size empty

stack

• 先进后出的结构，只有一个出口
• STL使用deque作为底层源码进行实现
• 没有迭代器
• 也有使用它list作为底层源码进行实现

主要操作有:empty size back push_back pop_back

queue

• 先进先出结构，有两个出口
• STL以deque作为底层源码进行实现
• 没有迭代器
• 也有使用list作为底层源码进行实现

主要操作有:empty size front back push pop

heap

• 不归属于STL容器组件，但是是priority_queue的底层实现
• 二叉堆是一个完全二叉树，除叶节点外，都是填满的，且叶节点左右不得有空隙
• 可以使用array存储所有节点
• 某个节点位于i处时，左子节点位于2i处，右子节点位于2i+1处，父节点在i/2处
• 分为最大堆和最小堆
• STL提供的是最大堆
• heap不提供遍历功能，也不提供迭代器

原理

• push操作：先插入到vector尾部,然后进行上溯：新节点与父节点比较，如果比父节点大，父子调换位置
• pop操作: 取走根节点后，把最下层最右边节点进行下溯:空间节点与较大子节点调换位置，直到叶节点为止

priority_queue

• 优先队列，根据权值进行排序，默认情况是一个最大堆
• 以heap为源码作为底层实现
• 没有迭代器

主要操作有:size empty top push

slist

• 双向列表
• 不在标准规格之内，有些STL不提供
• 与list相比没有回溯节点的操作
• 提供了insert_after和erase_after两个操作

红黑树

• 是容器，但是不开放使用，是map set的底层实现
• 时间复杂度是$log_2n$
• 是个二叉搜索树，同时满足下列规则
• 1.每个节点不是红色就是黑色
• 2.根节点是黑色
• 3.如果节点为红色，子节点必须是黑色
• 4.任一节点至NULL的任何路径，所含之黑节点数必须相同

根据规则4，新增节点必须是红色，根据规则3，新增节点的父节点必须是黑色，如果不满足，必须调整红黑树

主要提供:insert_unique insert_equal和find三个方法。insert_unique不允许重复，insert_equal每次插入都会成功，find遵循二叉搜索树的性质(左 < 根 < 右)

set

• 所有元素的键值都会自动被排序
• 不允许有两个相同的键值
• 不允许修改set的键值
• 新增或删除时，迭代器不会失效
• 以红黑树作为底层实现
• 拥有交、并、差集合运算

主要提供的操作有:insert erase size clear find empty

map

• 元素会根据键值进行自动排序
• 所有元素都是pair
• 不允许有两个相同的键
• 不可以修改键，可以修改值
• 新增和删除操作，迭代器不会失效

主要提供的操作有：insert erase size empty clear find 下标操作

multiset

• 和set完全相同，唯一差别在于允许键值重复

multimap

• 和map完全相同，唯一差别在于允许键值重复

hashtable

• 常数平均时间的复杂度
• 需要用散列函数将一个元素映射为一个大小可接受的索引
• 如果映射索引有冲突，需要通过一些列办法解决冲突，如线性探测，二次探测，开链等做法
• hashtable采用开链方法解决冲突

线性探测

有冲突，直接循环往下一一寻找，直到一个可用的空间为止；删除时采用惰性删除，实际删除需要重新整理时再进行

问题：平均插入成本的成长幅度，远高于负载系数的成长幅度（主集团现象）

二次探测

主要用来解决主集团问题；如果有冲突，尝试$H+1^2,H+2^2,H+3^2,...,H+i^2$

如果表格大小为质数，且永远保持负载系数在0.5以下(超过0.5重新整理)，每次插入不超过2次探测

问题：计算出来的位置相同，则插入的位置也相同，会造成浪费（次集团现象）

解决办法有：复式散列等

开链

每个表格元素维护一个list，冲突时，在list上插入、搜寻等操作

hash_set

• 以hashtable为底层实现机制
• 没有自动排序的功能
• 使用和性质与set完全一样

hash_multiset

• 与multiset完全一样，没有排序功能

hash_map

• 以hashtable为底层实现机制
• 没有自动排序功能
• 使用性质和map完全一样

hash_multimap

• 与multimap完全一样，没有排序功能

算法

包含的一些主要算法有: binary_search copy find find_if find_first_of max max_element lower_bound min min_element reverse rotate search search_n set_difference set_intersection set_union sort stable_sort swap upper_bound make_heap pop_heap push_heap sort_heap

算法的操作一般都是迭代器

参考文献

STL源码剖析