索引
這篇文章 http://www.cnblogs.com/daoluanxiaozi/archive/2012/12/02/confidential-stl.html 由於嚴重違反了『博客園首頁』的相關規則，因此筆者改將《私房STL》系列的每一篇都整合到博客園中，取消外鏈的做法。另，考慮篇幅的問題，此系列文章將分為上、中、下。此篇為《數據結構利器之私房STL（上）》，中篇和下篇將陸續發布。喜歡就頂下吧:-)
此系列的文章適合初學有意剖析STL和欲復習STL的同學們。
學過c++的同學相信都有或多或少接觸過STL。STL不僅僅是c++中很好的編程工具（這個詞可能有點歧義，用類庫更恰當），還是學習數據結構的好教材。它實現了包括可邊長數組，鏈表，棧，隊列，散列，映射等等，這些都是計算機專業同學在數據結構這門核心課程當中需要學習的。
在深入一個工具之前，首先要熟練使用它。STL也一樣。在剖析STL之前，可以先動手使用STL，比如其中的vector，list，stack等，熱熱身，而使用比剖析簡單的多，何樂而不為呢。網上很多仁人志士都推薦《C++標准程序庫》，這本書好！但如果是新手，又急於了解如何使用STL，那么我更傾向於選擇一般的c++書籍（里面有簡單的STL使用范例）。另外，還推薦c++ reference站點：http://www.cplusplus.com/，google更不在話下。注意，如果你已經通讀《C++標准程序庫》，那么至多是熟練使用STL而已，但不能說精通STL。欲精通STL，必剖之。
工欲善其事，必先利其器，剖析STL你需要做什么？剖析STL可能需要熟悉c++的基本的語法，了解泛型編程等。最后是《STL源碼剖析》。
此系列的文章無意巨細分析STL內部具體實現，因為互聯網上有很多大牛（@July @MoreWindows 待補充，他們的文章鏈接會在對應的文章中給出）的作品，STL內的一些算法和實現都已經解釋的很詳細了，不再班門弄斧。相反，此系列意在為STL中的每一部件作簡要的總結說明，並穿插其中實現的技巧。
私房STL之vector
一句話vector：vector的空間可擴充，支持隨機存取訪問，是一段連續線性的空間。所以它是動態空間，與之對比的array是靜態的空間，不可擴充。簡單來說，vector是數組的增強版。
vector創建與遍歷
vector提供了幾個版本的構造函數。詳見：http://www.cplusplus.com/reference/stl/vector
比如：
vector<int> iv(3,3); /*3,3,3*/
又或：
...... vector<int>::iterator beg = iv.begin(), end = iv.end(); cout << *beg << endl; ......
vector刪除
在經常需要刪除操作earse()（插入操作也一樣insert()）的地方，不建議使用vector容器，因為刪除元素會導致內存的復制，無疑增加系統開銷。最為極端的情況，刪除vector首部的元素：
a b c d e f g h
b c d e f g h h
b c d e f g h
當然，有更好的做法，為了避免內存復制，在刪除的時候，將需要刪除的目標與vector尾端的元素交換，然后才執行刪除操作，但這無疑也增加了一個指向vector尾端元素的空間開銷。
a b c d e f g h
h b c d e f g a
h b c d e f g
vector陷阱
需要注意的是，vector備用空間是有限的，當發現備用空間不夠用的時候，vector是另外新分配一個比原有更大的空間（原有空間*2），然后把原有的內容倒騰到新的空間上去，接着釋放原有的空間。所以迭代器的使用就要特別小心了，在插入元素之后，很可能之前聲明定義的迭代器都失效了。
...... vector<int> iv(3,3); iv.push_back(10); /*3,3,3,10*/ vector<int>::iterator beg = iv.begin(), end = --iv.end(); cout << iv.size() << " " << *beg << " " << *end << endl; /*4 3 10*/ iv.push_back(20); cout << iv.size() << " " << *beg << " " << *end << endl; /*bomb.invalid iterator.*/ ......
-
- bomb！！！
vector元素排序
#include <iostream>
#include <vector>
#include <algorithm>
using namespace std;
int main()
{
vector<int> iv(3,3);
unsigned int i;
/*add new elem.*/
iv.push_back(10);
iv.push_back(9);
iv.push_back(0);
vector<int>::iterator beg = iv.begin(),
end = iv.end();
/*print.*/
for(i=0; i<iv.size(); i++)
cout << iv[i] << " ";
cout << endl;
/*sort.*/
sort(beg,end);
/*print.*/
for(i=0; i<iv.size(); i++)
cout << iv[i] << " ";
cout << endl;
return 0;
}
3 3 3 10 9 0
0 3 3 3 9 10
請按任意鍵繼續. . .
vector查找
按上述遍歷元素的方法查找，復雜度為O(n)。STL算法實現了find()，可以在指定的迭代器始末尋找指定的元素。
...... vector<int> iv(3,3); unsigned int i; /*add new elem.*/ iv.push_back(10); iv.push_back(9); iv.push_back(0); vector<int>::iterator beg = iv.begin(), end = iv.end(), ret; ret = find(beg,end,10); cout << *ret << endl; ......
建議
之於array，vector雖略勝一籌，但有它的硬傷，那就是它動態增大的時候，空間操作耗費大，特別是當vector內的元素很多的時候。
vector還提供insert，earse，clear等元素的操作，不一一復述。最后是很不錯的vector文檔：http://www.cplusplus.com/reference/stl/vector/
本文完 2012-10-16
私房STL之list
一句話list：list是我們在數據結構中接觸過的雙向循環鏈表，應用有約瑟夫環；可見其空間非連續的，但可以動態擴充，效率很高，只是不支持隨機訪問，必須通過迭代器找到指定的元素。總的來說，list用起來比較順手。
-
- list_node
list的查找
按上述遍歷元素的方法查找，復雜度為O(n)。STL算法實現了find()，可以在指定的迭代器始末尋找指定的元素。
...... list<int> il; il.push_back(5); il.push_back(98); il.push_back(7); il.push_back(20); il.push_back(22); il.push_back(17); list<int>::iterator ite; ite = find(il.begin(),il.end(),20); cout << *ite << endl;/*20*/ ......
list創建與遍歷
STL中也為list實現了幾個版本的構造函數：http://www.cplusplus.com/reference/stl/list/list/，有最簡單缺省的版本。
list的遍歷使用迭代器，如下：
#include <iostream>
#include <list>
#include <algorithm>
using namespace std;
int main()
{
unsigned int i;
list<int> il;
il.push_back(5);
il.push_back(98);
il.push_back(7);
il.push_back(20);
il.push_back(22);
il.push_back(17);
list<int>::iterator ite;
for(ite = il.begin(); ite != il.end(); ite++)
cout << *ite << " ";
cout << endl;
return 0;
}
list在空間拓展的時候，沒有經歷vector式的空間倒騰，所以只要不earse元素，指向它ite是不會失效的。
list元素操作
list有提供pop_back,erase,clear,insert等實用的元素操作，不一一復述，給出有用的文檔：http://www.cplusplus.com/reference/stl/list/
list排序
STL算法（<algorithm>）實現的sort只適用於支持隨機訪問的數據，所以它不適用於list，list不支持隨機訪問。所以list內部實現了自己的sort，內部排序使用使用迭代版本的快排。
unsigned int i; list<int> il; il.push_back(5); il.push_back(98); il.push_back(7); il.push_back(20); il.push_back(22); il.push_back(17); list<int>::iterator ite; for(ite = il.begin(); ite != il.end(); ite++) cout << *ite << " "; cout << endl; il.sort(); for(ite = il.begin(); ite != il.end(); ite++) cout << *ite << " "; cout << endl; return 0;
5 98 7 20 22 17
5 7 17 20 22 98
請按任意鍵繼續. . .
建議
list使用輕松自如，硬傷是由於空間的個性（不連續），不能隨機訪問。
本文完 2012-10-16
私房STL之deque
一句話deque：deque是雙端隊列，它的空間構造並非一個vector式的長數組，而是“分段存儲，整體維護”的方式；STL允許在deque中任意位置操作元素（刪除添加）（這超出了deque的概念，最原始的deque將元素操作限定在隊列兩端），允許遍歷，允許隨機訪問（這是假象）；我們將看到，deque將是STL中stack和queue的幕后功臣，對deque做適當的修正，便可以實現stack和queue。
-
- bug,deque_in_real
deque的迭代器
deque的迭代器與一般的迭代器不同，並不是vector或者list的普通指針式迭代器，有必要寫下。
...... typedef T** map_pointer; T* cur;//指向當前元素 T* first;//指向緩沖區頭 T* last;//指向緩沖區尾巴 map_pointer node;//二級指針，指向緩沖區地址表中的位置 ......
實現的復雜度可見一斑。正是因為deque復雜的空間結構，其迭代器也想跟着復雜晦澀。於是很容易令人產生異或！
為什么要用這么復雜的空間結構
同學A會疑問：“為什么不直接使用似vector抑或array一個長的數組？這樣實現起來簡單，而且迭代器也不會像”這個問題很容易被解決，想想：array就不用解釋了，因為它是靜態的空間，不支持拓展；另外，回想一下，vector在做空間拓展的時候，是如何勞神傷肺？！vector是依從“重新配置，復制，釋放”規則，這樣的代價是很划不來的。所以寧願實現復雜的迭代器，來換取寶貴的計算機資源。
那么deque在做空間拓展的時候是如何做的呢？
如果緩沖區中還有備用的空間，那么直接使用備用的空間；否則，另外配置一個緩沖區，將其信息記錄到緩沖區地址表里；更有甚者，如果緩沖區地址表都不夠的時候，緩沖區地址表也要嚴格依從“重新配置，復制，釋放”規則，但相比對“重新配置，復制，釋放”規則宗教式追狂熱的vector而言，效率高很多。
deque的創建與遍歷
STL中deque有提供多種版本的構造函數，一把使用缺省構造函數。
...... deque<int> id; ......
同樣，雖迭代器龐雜，但使用游刃有余，和其他的容器保持一致；並且，迭代器有重載“[]”運算符，所以支持“隨機訪問”（其實這是假象，詳見上述內容）。
...... deque<int> id; id.push_back(1); id.push_back(2); id.push_back(3); id.push_back(4); id.push_back(5); id.push_back(6); cout << id[2] << endl; /*3*/ ......
deque的查找
有迭代器在，查找可以用STL<algorithm>內部實現的find()。當然，有重載“[]”運算符，按普通的順序查找也可行。這里只給出迭代器版本：
...... deque<int> id; id.push_back(1); id.push_back(2); id.push_back(6); deque<int>::iterator ite; ite = find(id.begin(),id.end(),6); cout << *ite << endl; /*6*/ ......
deque的排序
我們已經知道，deque實際不是連續的存儲空間，它使用了“分段存儲，整體維護”的空間模式，當然代價是龐雜的迭代器。所以STL<algorithm>的sort()函數在這里並不適用。侯傑老師推薦，將deque所有的元素倒騰到一個vector中，再用STL<algorithm>的sort()函數，再從vector中倒騰進deque中。這種折騰是必須的，直接在的deque內部進行排序，效率更低。
建議
deque在實際的應用當中使用的比較少，但正如文章開頭指出的，它是容器stack和queue的幕后功臣，所以了解它的內部實現機制多多益善。
本文完 2012-10-17
私房STL之stack與queue
一句話stack和queue：相對於deque，stack和queue沒有那么底層，他們大部分底層的操作都由deque一手操辦，特別的stack和queue是deque的子集（換句話說，stack、queue管deque叫老爹）；通過關閉或者限制deque的一些接口就可以輕易實現stack和queue（STL源碼剖析中管這種機制叫“adapter”。）；由stack和queue的定義來看，它們的遍歷動作是不被允許的，沒有迭代器概念；有趣的是，通過修改list的接口，同樣可以讓list假冒stack和queue。
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- stack
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-
- queue
stack的創建與遍歷
除了默認的構造函數，stack和其他很多容器一樣，支持依據vector中元素創建stack。只給出默認版本：更多的資料：http://www.cplusplus.com/reference/stl/stack/stack/
.....
stack<int> is;
is.push(4);
is.push(3);
is.push(2);
is.push(1);
is.push(0);
while(!is.empty())
{
cout << is.top() << " ";
is.pop();
}// while /*0 1 2 3 4*/
.....
stack不允許遍歷！
queue的創建與遍歷
......
queue<int> iq;
iq.push(4);
iq.push(3);
iq.push(2);
iq.push(1);
iq.push(0);
cout << iq.back() << endl; /*0*/
while(!iq.empty())
{
cout << iq.front() << " ";
iq.pop();
}// while /*4 3 2 1 0*/
......
queue不允許遍歷！
stack/queue的查找和排序
stack/queue不允許遍歷！
關於stack的top()和pop()
在數據結構的課程中，習慣將上面兩個功能都整合到pop中去，但STL分開了，一個函數只做一件事情，在queue中也是這樣做的。
......
Sequence c; // 底層容器
......
reference top() { return c.back(); }
void pop() { c.pop_back(); }
......
從Sequence c的定義當中可以看出一些端倪，stack允許用戶選定底層容器，所以list此時可以作為底層容器來實現stack/queue。
......
stack<int,list<int>> is;
is.push(4);
is.push(3);
is.push(2);
is.push(1);
is.push(0);
while(!is.empty())
{
cout << is.top() << " ";
is.pop();
}// while /*0 1 2 3 4*/
......
建議
stack/queue在實際應用用的比較多，兩者有很大的共性，因此queue被提取出來。嘿嘿，突然對STL肅然起敬。
關於更多的stack和queue請參看：http://www.cplusplus.com/reference/stl/stack/和http://www.cplusplus.com/reference/stl/queue/
本文完 2012-10-19
私房STL之一分鍾的heap
一句話的heap：一種數據結構，完全二叉樹（若二叉樹高h，除過最底層h層，其他層1~h-1都是滿的；並且最底層從左到右不能有空隙。），但在實現上，它沒有選擇一般的二叉樹數據結構（即一個節點包含指向兩個孩子的指針），使用的是數組；heap最為常用的操作是上溯和下溯，它們在“維持堆”和“堆排序”中經常用到。這篇文章能讓你快速回顧heap。
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- 完全二叉樹（左）和非完全二叉樹（右）
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- 完全二叉樹的數組存儲（對應上圖左），X是實現上的技巧，刻意空出來
如果某節點位於數組i處，那么那么2i即為其左子結點，2i+1即為其右子結點。
最大堆和最小堆
堆有有最大堆和最小堆兩種。最大堆即根節點的鍵值比其他所有節點鍵值都大；最小堆即根節點的鍵值比其他所有節點鍵值都小。只討論最大堆，最小堆和最大堆思路如出一轍，便不一一復述了。
上溯和下塑
上溯操作主要用在“push_heap”過程中維持堆性質；下塑操作經常用在“sort_heap”過程中維持堆性質。
上溯：某節點與父節點比較，如果其鍵值比父節點大，即交換父子節點。重復上述操作，直到不需要交換或者到達根節點為止。
-
- 上溯
下塑：此節點為與堆頂，拿其與min（左子結點鍵值，右子結點鍵值）比較，如果父節點鍵值小過min，即交換父子節點。重復上述操作，直到不需要交換為止。
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- 下溯
堆的形成
任務：給定一個數組，將其轉換為最大heap。STL中make_heap()函數可以完成，它的思路：從最底層開始維持每一個子堆。看圖：
-
- make-heap
還有一種可行的思路，即：先假設堆中的元素個數為0，然后向（尾端+1）（意即尾端后的一個位置）push一個新的元素，然后在這個位置執行上溯操作。重復上述操作，直至數組內所有的元素都push完為止。我們發現這個方法也是可行的。
堆排序
任務：給定一個最大heap，實現數組排序。思路不拐彎抹角，很直接：因為堆頂對應最大的元素swap(堆頂節點，最大heap最右一個節點)；不處理最后一個節點，從堆頂下溯。注意，下溯操作過后，除過最后一個節點，現有數據仍為一個最大堆。
堆排序的算法復雜度可以達到O(NlnN)，在“排序算法家族”當中效率還是很靠前的。關於heap的算法都在STL<algorithm>中實現，STL只實現了最大堆。
...... vector<int> iv(a,a+7); unsigned int i; vector<int>::iterator beg = iv.begin(), end = iv.end(),ite; for(ite = beg; ite!=end; ite++) cout << *ite << " "; cout << endl; /*1 3 9 11 21 100 4*/ make_heap(beg,end); for(ite = beg; ite!=end; ite++) cout << *ite << " "; cout << endl; /*100 21 9 11 3 1 4*/ sort_heap(beg,end); for(ite = beg; ite!=end; ite++) cout << *ite << " "; cout << endl; /*1 3 4 9 11 21 100*/ ......
max-heap實現priority_queue
priority_queue帶權值的queue，順序入隊之后，按照權值的大小出隊。max-heap正好可以滿足這個需求，max-heap的堆頂元素總是最大的。priority_queue在實現上已vector為底層容器，這與queue相差很大。
template<class _Ty,
class _Container = vector<_Ty>,
class _Pr = less<typename _Container::value_type> >
class priority_queue
{......}
本文完 2012-10-19