[C++ STL] 各容器簡單介紹

1、什麼是STL?

一、STL（Standard Template Library），即標準模板庫，是一個高效的C++程序庫，包含了諸多經常使用的基本數據結構和基本算法。爲廣大C++程序員們提供了一個可擴展的應用框架，高度體現了軟件的可複用性。

二、從邏輯層次來看，在STL中體現了泛型化程序設計的思想（generic programming）。在這種思想裏，大部分基本算法被抽象，被泛化，獨立於與之對應的數據結構，用於以相同或相近的方式處理各類不一樣情形。

三、從實現層次看，整個STL是以一種類型參數化（type parameterized）的方式實現的，基於模板（template）。

STL有六大組件，但主要包含容器、迭代器和算法三個部分。

• 容器（Containers）：用來管理某類對象的集合。每一種容器都有其優勢和缺點，因此，爲了應付程序中的不一樣需求，STL 準備了七種基本容器類型。
• 迭代器（Iterators）：用來在一個對象集合的元素上進行遍歷動做。這個對象集合或許是個容器，或許是容器的一部分。每一種容器都提供了本身的迭代器，而這些迭代器瞭解該種容器的內部結構。
• 算法（Algorithms）：用來處理對象集合中的元素，好比 Sort，Search，Copy，Erase 那些元素。經過迭代器的協助，咱們只需撰寫一次算法，就能夠將它應用於任意容器之上，這是由於全部容器的迭代器都提供一致的接口。

STL 的基本觀念就是將數據和操做分離。數據由容器進行管理，操做則由算法進行，而迭代器在二者之間充當粘合劑，使任何算法均可以和任何容器交互運做。這一篇博客暫時只介紹容器，下一篇介紹迭代器。

2、容器（Containers）

容器用來管理某類對象。爲了應付程序中的不一樣需求，STL 準備了兩類共七種基本容器類型：

• 序列式容器（Sequence containers），此爲可序羣集，其中每一個元素均有固定位置—取決於插入時機和地點，和元素值無關。若是你以追加方式對一個羣集插入六個元素，它們的排列次序將和插入次序一致。STL提供了三個序列式容器：向量（vector）、雙端隊列（deque）、列表（list），此外你也能夠把 string 和 array 當作一種序列式容器。
• 關聯式容器（Associative containers），此爲已序羣集，元素位置取決於特定的排序準則以及元素值，和插入次序無關。若是你將六個元素置入這樣的羣集中，它們的位置取決於元素值，和插入次序無關。STL提供了四個關聯式容器：集合（set）、多重集合（multiset）、映射（map）和多重映射（multimap）。

示意圖以下圖所示：

2.1 vector

vector（向量）: 是一種序列式容器，事實上和數組差很少，但它比數組更優越。通常來講數組不能動態拓展，所以在程序運行的時候不是浪費內存，就是形成越界。而 vector 正好彌補了這個缺陷，它的特徵是至關於可拓展的數組（動態數組），它的隨機訪問快，在中間插入和刪除慢，但在末端插入和刪除快。

特色

• 擁有一段連續的內存空間，而且起始地址不變，所以它能很是好的支持隨機存取，即 [] 操做符，但因爲它的內存空間是連續的，因此在中間進行插入和刪除會形成內存塊的拷貝，另外，當該數組後的內存空間不夠時，須要從新申請一塊足夠大的內存並進行內存的拷貝。這些都大大影響了 vector 的效率。
• 對頭部和中間進行插入刪除元素操做須要移動內存，若是你的元素是結構或類，那麼移動的同時還會進行構造和析構操做，因此性能不高。
• 對最後元素操做最快（在後面插入刪除元素最快），此時通常不須要移動內存，只有保留內存不夠時才須要。

優缺點和適用場景

優勢：支持隨機訪問，即 [] 操做和 .at()，因此查詢效率高。 缺點：當向其頭部或中部插入或刪除元素時，爲了保持本來的相對次序，插入或刪除點以後的全部元素都必須移動，因此插入的效率比較低。 適用場景：適用於對象簡單，變化較小，而且頻繁隨機訪問的場景。

例子

如下例子針對整型定義了一個 vector，插入 6 個元素，而後打印全部元素：

#include <iostream>
#include <vector>

using namespace std;

int main(int argc, char* argv[])
{
    vector<int> vecTemp;

    for (int i = 0; i<6; i++)
        vecTemp.push_back(i);

    for (int i = 0; i<vecTemp.size(); i++)
        cout << vecTemp[i] <<" "; // 輸出：0 1 2 3 4 5

    return 0;
}

2.2 deque

deque（double-ended queue）是由一段一段的定量連續空間構成。一旦要在 deque 的前端和尾端增長新空間，便配置一段定量連續空間，串在整個 deque 的頭端或尾端。所以不論在尾部或頭部安插元素都十分迅速。 在中間部分安插元素則比較費時，由於必須移動其它元素。deque 的最大任務就是在這些分段的連續空間上，維護其總體連續的假象，並提供隨機存取的接口。

特色

• 按頁或塊來分配存儲器的，每頁包含固定數目的元素。
• deque 是 list 和 vector 的折中方案。兼有 list 的優勢，也有vector 隨機線性訪問效率高的優勢。

優缺點和適用場景

優勢：支持隨機訪問，即 [] 操做和 .at()，因此查詢效率高；可在雙端進行 pop，push。 缺點：不適合中間插入刪除操做；佔用內存多。 適用場景：適用於既要頻繁隨機存取，又要關心兩端數據的插入與刪除的場景。

例子

如下例子聲明瞭一個浮點類型的 deque，並在容器尾部插入 6 個元素，最後打印出全部元素。

#include <iostream>
#include <deque>

using namespace std;

int main(int argc, char* argv[])
{
    deque<float> dequeTemp;

    for (int i = 0; i<6; i++)
        dequeTemp.push_back(i);

    for (int i = 0; i<dequeTemp.size(); i++)
        cout << dequeTemp[i] << " "; // 輸出：0 1 2 3 4 5

    return 0;
}

2.3 list

List 由雙向鏈表（doubly linked list）實現而成，元素也存放在堆中，每一個元素都是放在一塊內存中，他的內存空間能夠是不連續的，經過指針來進行數據的訪問，這個特色使得它的隨機存取變得很是沒有效率，所以它沒有提供 [] 操做符的重載。可是因爲鏈表的特色，它能夠頗有效率的支持任意地方的插入和刪除操做。

特色

• 沒有空間預留習慣，因此每分配一個元素都會從內存中分配，每刪除一個元素都會釋放它佔用的內存。
• 在哪裏添加刪除元素性能都很高，不須要移動內存，固然也不須要對每一個元素都進行構造與析構了，因此經常使用來作隨機插入和刪除操做容器。
• 訪問開始和最後兩個元素最快，其餘元素的訪問時間同樣。

優缺點和適用場景

優勢：內存不連續，動態操做，可在任意位置插入或刪除且效率高。 缺點：不支持隨機訪問。 適用場景：適用於常常進行插入和刪除操做而且不常常隨機訪問的場景。

例子

如下例子產生一個空 list，準備放置字符，而後將 'a' 至 'z' 的全部字符插入其中，利用循環每次打印並移除集合的第一個元素，從而打印出全部元素：

#include <iostream>
#include <list>

using namespace std;

int main(int argc, char* argv[])
{
    list<char> listTemp;

    for (char c = 'a'; c <= 'z'; ++c)
        listTemp.push_back(c);

    while (!listTemp.empty())
    {
        cout <<listTemp.front() << " ";
        listTemp.pop_front();
    }

    return 0;
}

成員函數empty()的返回值告訴咱們容器中是否還有元素，只要這個函數返回 false，循環就繼續進行。循環以內，成員函數front()會返回第一個元素，pop_front()函數會刪除第一個元素。

注意：list <指針> 徹底是性能最低的作法，還不如直接使用 list <對象> 或使用 vector <指針> 好，由於指針沒有構造與析構，也不佔用很大內存。

2.4 set

set（集合）由紅黑樹實現，其內部元素依據其值自動排序，每一個元素值只能出現一次，不容許重複。

特色

• set 中的元素都是排好序的，集合中沒有重複的元素;
• map 和 set 的插入刪除效率比用其餘序列容器高，由於對於關聯容器來講，不須要作內存拷貝和內存移動。

優缺點和適用場景

優勢：使用平衡二叉樹實現，便於元素查找，且保持了元素的惟一性，以及能自動排序。 缺點：每次插入值的時候，都須要調整紅黑樹，效率有必定影響。 適用場景：適用於常常查找一個元素是否在某羣集中且須要排序的場景。

例子

下面的例子演示 set（集合）的兩個特色：

#include <iostream>
#include <set>

using namespace std;

int main(int argc, char* argv[])
{
    set<int> setTemp;

    setTemp.insert(3);
    setTemp.insert(1);
    setTemp.insert(2);
    setTemp.insert(1);

    set<int>::iterator it;
    for (it = setTemp.begin(); it != setTemp.end(); it++)
    {
        cout << *it << " ";
    }

    return 0;
}

輸出結果：1 2 3。一共插入了 4 個數，可是集合中只有 3 個數而且是有序的，可見以前說過的 set 集合的兩個特色，有序和不重複。

當 set 集合中的元素爲結構體時，該結構體必須實現運算符 ‘<’ 的重載：

#include <iostream>
#include <set>
#include <string>

using namespace std;

struct People
{
    string name;
    int age;

    bool operator <(const People p) const
    {
        return age < p.age;
    }
};

int main(int argc, char* argv[])
{
    set<People> setTemp;

    setTemp.insert({"張三",14});
    setTemp.insert({ "李四", 16 });
    setTemp.insert({ "隔壁老王", 10 });

    set<People>::iterator it;
    for (it = setTemp.begin(); it != setTemp.end(); it++)
    {
        printf("姓名：%s 年齡：%d\n", (*it).name.c_str(), (*it).age);
    }

    return 0;
}

/*
輸出結果
姓名：王二麻子 年齡：10
姓名：張三 年齡：14
姓名：李四 年齡：16 
*/

能夠看到結果是按照年齡由小到大的順序排列。另外 string 要使用c_str()轉換一下，不然打印出的是亂碼。

另外 Multiset 和 set 相同，只不過它容許重複元素，也就是說 multiset 可包括多個數值相同的元素。這裏再也不作過多介紹。

2.5 map

map 由紅黑樹實現，其元素都是 「鍵值/實值」 所造成的一個對組（key/value pairs)。每一個元素有一個鍵，是排序準則的基礎。每個鍵只能出現一次，不容許重複。

map 主要用於資料一對一映射的狀況，map 內部自建一顆紅黑樹，這顆樹具備對數據自動排序的功能，因此在 map 內部全部的數據都是有序的。好比一個班級中，每一個學生的學號跟他的姓名就存在着一對一映射的關係。

特色

• 自動創建 Key - value 的對應。key 和 value 能夠是任意你須要的類型。
• 根據 key 值快速查找記錄，查找的複雜度基本是 O(logN)，若是有 1000 個記錄，二分查找最多查找 10次(1024)。
• 增長和刪除節點對迭代器的影響很小，除了那個操做節點，對其餘的節點都沒有什麼影響。
• 對於迭代器來講，能夠修改實值，而不能修改 key。

優缺點和適用場景

優勢：使用平衡二叉樹實現，便於元素查找，且能把一個值映射成另外一個值，能夠建立字典。 缺點：每次插入值的時候，都須要調整紅黑樹，效率有必定影響。 適用場景：適用於須要存儲一個數據字典，並要求方便地根據key找value的場景。

例子

#include "stdafx.h"
#include <iostream>
#include <map>
#include <string>

using namespace std;

int main(int argc, char* argv[])
{
    map<int, string> mapTemp;

    mapTemp.insert({ 5,"張三" });
    mapTemp.insert({ 3, "李四"});
    mapTemp.insert({ 4, "隔壁老王" });

    map<int, string>::iterator it;
    for (it = mapTemp.begin(); it != mapTemp.end(); it++)
    {
        printf("學號：%d 姓名：%s\n", (*it).first, (*it).second.c_str());
    }

    return 0;
}

/*
輸出結果：
學號：3 姓名：李四
學號：4 姓名：隔壁老王
學號：5 姓名：張三
*/

multimap 和 map 相同，但容許重複元素，也就是說 multimap 可包含多個鍵值（key）相同的元素。這裏再也不作過多介紹。

2.6 容器配接器

除了以上七個基本容器類別，爲知足特殊需求，STL還提供了一些特別的（而且預先定義好的）容器配接器，根據基本容器類別實現而成。包括：

一、stack

名字說明了一切，stack 容器對元素採起 LIFO（後進先出）的管理策略。

二、queue

queue 容器對元素採起 FIFO（先進先出）的管理策略。也就是說，它是個普通的緩衝區（buffer）。

三、priority_queue

priority_queue 容器中的元素能夠擁有不一樣的優先權。所謂優先權，乃是基於程序員提供的排序準則（缺省使用 operators）而定義。Priority queue 的效果至關於這樣一個 buffer：「下一元素永遠是queue中優先級最高的元素」。若是同時有多個元素具有最髙優先權，則其次序無明肯定義。

3、總結

各容器的特色總結

• vector 頭部與中間插入和刪除效率較低，在尾部插入和刪除效率高，支持隨機訪問。
• deque 是在頭部和尾部插入和刪除效率較高，支持隨機訪問，但效率沒有 vector 高。
• list 在任意位置的插入和刪除效率都較高，但不支持隨機訪問。
• set 由紅黑樹實現，其內部元素依據其值自動排序，每一個元素值只能出現一次，不容許重複，且插入和刪除效率比用其餘序列容器高。
• map 能夠自動創建 Key - value 的對應，key 和 value 能夠是任意你須要的類型，根據 key 快速查找記錄。

在實際使用過程當中，到底選擇這幾種容器中的哪個，應該根據遵循如下原則：

一、若是須要高效的隨機存取，不在意插入和刪除的效率，使用 vector。 二、若是須要大量的插入和刪除元素，不關心隨機存取的效率，使用 list。 三、若是須要隨機存取，而且關心兩端數據的插入和刪除效率，使用 deque。 四、若是打算存儲數據字典，而且要求方便地根據 key 找到 value，一對一的狀況使用 map，一對多的狀況使用 multimap。 五、若是打算查找一個元素是否存在於某集合中，惟一存在的狀況使用 set，不惟一存在的狀況使用 multiset。

各容器的時間複雜度分析

• vector 在頭部和中間位置插入和刪除的時間複雜度爲 O(N)，在尾部插入和刪除的時間複雜度爲 O(1)，查找的時間複雜度爲 O(1)；
• deque 在中間位置插入和刪除的時間複雜度爲 O(N)，在頭部和尾部插入和刪除的時間複雜度爲 O(1)，查找的時間複雜度爲 O(1)；
• list 在任意位置插入和刪除的時間複雜度都爲 O(1)，查找的時間複雜度爲 O(N)；
• set 和 map 都是經過紅黑樹實現，所以插入、刪除和查找操做的時間複雜度都是 O(log N)。

各容器的共性

各容器通常來講都有下列函數：默認構造函數、複製構造函數、析構函數、empty()、max_size()、size()、operator=、operator<、operator<=、operator>、operator>=、operator==、operator!=、swap()。

順序容器和關聯容器都共有下列函數：

• begin() ：返回容器第一個元素的迭代器指針；
• end()：返回容器最後一個元素後面一位的迭代器指針；
• rbegin()：返回一個逆向迭代器指針，指向容器最後一個元素；
• rend()：返回一個逆向迭代器指針，指向容器首個元素前面一位；
• clear()：刪除容器中的全部的元素；
• erase(it)：刪除迭代器指針it處元素。

參考：

《C++標準庫 - 侯捷》中的 5.2 節-容器