C++ STL 序列式容器与配接器的简单使用
容器概述
C++标准里提供了以下容器或容器配接器:
序列式容器 | 配接器 | 关联式容器 | 不定序关联容器 |
---|---|---|---|
array | stack | set | unordered_set |
vector | queue | map | unordered_map |
list | priority_queue | multiset | unordered_multiset |
deque | multimap | unordered_multimap | |
forward_list |
序列式容器
array
array是静态连续空间,一经配置,大小不可改变。
就是数组,除了空间的灵活性不足,其他与vector很像。用的也比较少,一般都用vector了,这里就不多说了。
vector
vector的数据安排与操作方式,与array很相似。二者唯一的差别在于空间的运用的灵活性。
- array是静态空间,一旦配置不能改变;
- vector是动态空间,随着元素加入,内部机制会自行扩充空间以容纳新元素。
vector维护的是连续线性空间,其指针就是普通指针。
vector<int>::iterator iter;
那么iter其实就是int*类型。
两个迭代器start和finish之间是连续空间中目前已被使用的空间,end_of_storage指向整块连续空间的尾端。
为了降低频繁空间配置带来的成本开销,vector实际配置的大小会比客户需求的更大一些,以备将来可能的扩充。这便是capacity的概念。
- [start,finish]是size();
- [start, end_of_storage]是capacity();
- [finish, end_of_storage]是备用空间。
一旦size() == capacity(),便是满载。下次再有新增元素,整个vector就要另觅他所了。“另觅他所”的过程会经历“重新配置大空间,元素移动,释放原空间”这一系列动作,工程浩大。
所谓动态增加大小,并不是在原空间之后接续新空间(因为无法保证原空间之后有可供配置的空间),而是以原空间大小的两倍另外配置一块较大空间,然后将原内容拷贝过来,然后才开始在原内容后边构造新元素,并释放原空间。
因此,对vector的任何操作,一旦引起空间重新配置,指向原vector的所有迭代器就都失效了,这是一个经常犯的错误,务必小心。
list
list是环状双向链表。它的好处在于每次插入或删除一个元素,就配置或释放一个元素空间,与vector相比,list对空间运用更加精准,绝不浪费。且对于任何位置的元素插入或移除,list永远是常数时间。
vector和list适用场景与以下有关:
- 元素多寡
- 元素的构造复杂度(有无non-trival copy constructor, non-trival copy assignment operator)
- 元素存取行为的特性
list的节点结构如下:
template <class T> struct __list_node{ typedef void* void_pointer; void_pointer prev; void_pointer next; T data; };
由于list的内存空间无法保证是连续的,所以它的迭代器不再是普通指针。list的迭代器必须有能力指向list节点,并进行正确的递增、递减、取值、成员存取等操作。
list的操作大多不会使迭代器失效,即便是删除操作,也只有指向被删除元素的那个迭代器失效。
由于list是一个环状双向链表,所以它只需要一个指针,便可以完整遍历整个链表。
对于insert操作,新节点将位于哨兵迭代器(标示出插入点)所指节点的前方,这是STL对插入操作的标准规范。
deque
vector是单向开口的连续线性空间,deque则是一种双向开口的线性连续空间。所谓双向开口,即可以在首尾两端分别做元素的插入和删除操作。
deque其实是动态地以分段连续空间组合而成。但是这些分段的连续空间,在用户看来确实一整块连续空间,这其实是deque做出的假象。这种假象由deque的中控器map(注意,不是STL中的map容器)负责维持。
这个map可以理解为映射,它是一个指针,指向一小段连续内存空间,这块空间中的每个元素又都是一个指针,每个指针都指向deque的分段连续空间中的某一段。默认每一段是512字节。
forward_list
forward_list是单向链表。
前边说了,对于insert操作,新节点将位于哨兵迭代器(标示出插入点)所指节点的前方,这是STL对插入操作的标准规范。
但是forward_list作为单向链表,它没有什么方便方法回头定出前一个位置,它只能从头找起,所以除了forward_list起点处附近的区域外,在其他位置insert()或erase()就很慢,对此,forward_list特别提供了insert_after()和erase_after()。
同样出于效率考虑,它不提供push_back(),只提供push_front()。
Adapter(配接器)
stack
stack是先进后出(FILO)的数据结构。他只有一个出口,除了最顶端元素外,没有其他方法获得stack的其他元素。即stack是不允许有遍历行为的,自然也就没有迭代器了。
STL中的stack其实不算是container,而是adapter,因为其底层默认是deque,把deque的头端封闭,便形成一个stack。
具有“修改某物接口,形成另一种风貌”之性质者,谓之adapter。
除了deque,list也是双向开口的,所以list也可以做stack的底层结构。
queue
queue是先进先出(FIFO)的数据结构。它有两个出入口,但都是被限制的,尾端只进不出,头端只出不进。除了尾端进,头端出之外,没有其他方法存取queue的其他元素,即queue也是不允许遍历的,自然也就没有迭代器了。
queue也是一种adapter,它同stack一样,默认以deque作为底层结构,list同样也可以做其底层结构。
把deque的头端入口和尾端出口,就成了一个queue。
priority_queue
priority_queue是拥有权值观念的queue。
所谓拥有权值观念,可以理解为有序的,其内的元素并非按照加入的次序排列,而是按照元素的权值排列,权值最高者排在最前边。
默认状态下,priority_queue是用一个大根堆(max-heap)来完成,而大根堆是一个以vector表现得完全二叉树。
大根堆:max-heap,父节点值大于或等于子节点值的完全二叉树;
小根堆:min-heap,父节点值小于或等于子节点值的完全二叉树。
所以,priority_queue是以vector为底层结构,辅以heap处理规则来实现的,所以它也是一种adapter。
priority_queue也不允许遍历,自然也没有迭代器。
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