[C++ STL] 各容器簡單介紹

本文轉載自查看原文 2019-01-11 12:47 9154 STL

一、什么是STL?

1、STL（Standard Template Library），即標准模板庫，是一個高效的C++程序庫，包含了諸多常用的基本數據結構和基本算法。為廣大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復用性。

2、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）。在這種思想里，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種不同情形。

3、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點和缺點，所以，為了應付程序中的不同需求，STL 准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作。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自己的迭代器，而這些迭代器了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，比如 Sort，Search，Copy，Erase 那些元素。通過迭代器的協助，我們只需撰寫一次算法，就可以將它應用於任意容器之上，這是因為所有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作分離。數據由容器進行管理，操作則由算法進行，而迭代器在兩者之間充當粘合劑，使任何算法都可以和任何容器交互運作。這一篇博客暫時只介紹容器，下一篇介紹迭代器。

二、容器（Containers）

容器用來管理某類對象。為了應付程序中的不同需求，STL 准備了兩類共七種基本容器類型：

序列式容器（Sequence containers），此為可序群集，其中每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。如果你以追加方式對一個群集插入六個元素，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），此外你也可以把 string 和 array 當做一種序列式容器。
關聯式容器（Associative containers），此為已序群集，元素位置取決於特定的排序准則以及元素值，和插入次序無關。如果你將六個元素置入這樣的群集中，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）。

示意圖如下圖所示：

2.1 vector

vector（向量）: 是一種序列式容器，事實上和數組差不多，但它比數組更優越。一般來說數組不能動態拓展，因此在程序運行的時候不是浪費內存，就是造成越界。而 vector 正好彌補了這個缺陷，它的特征是相當於可拓展的數組（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。

特點

擁有一段連續的內存空間，並且起始地址不變，因此它能非常好的支持隨機存取，即 [] 操作符，但由於它的內存空間是連續的，所以在中間進行插入和刪除會造成內存塊的拷貝，另外，當該數組后的內存空間不夠時，需要重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作需要移動內存，如果你的元素是結構或類，那么移動的同時還會進行構造和析構操作，所以性能不高。
對最后元素操作最快（在后面插入刪除元素最快），此時一般不需要移動內存，只有保留內存不夠時才需要。

優缺點和適用場景

優點：支持隨機訪問，即 [] 操作和 .at()，所以查詢效率高。

缺點：當向其頭部或中部插入或刪除元素時，為了保持原本的相對次序，插入或刪除點之后的所有元素都必須移動，所以插入的效率比較低。

適用場景：適用於對象簡單，變化較小，並且頻繁隨機訪問的場景。

例子

以下例子針對整型定義了一個 vector，插入 6 個元素，然后打印所有元素：

#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 的前端和尾端增加新空間，便配置一段定量連續空間，串在整個 deque 的頭端或尾端。因此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，因為必須移動其它元素。deque 的最大任務就是在這些分段的連續空間上，維護其整體連續的假象，並提供隨機存取的接口。

特點

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 的優點，也有vector 隨機線性訪問效率高的優點。

優缺點和適用場景

優點：支持隨機訪問，即 [] 操作和 .at()，所以查詢效率高；可在雙端進行 pop，push。

缺點：不適合中間插入刪除操作；占用內存多。

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

以下例子聲明了一個浮點類型的 deque，並在容器尾部插入 6 個元素，最后打印出所有元素。

#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，每個元素都是放在一塊內存中，他的內存空間可以是不連續的，通過指針來進行數據的訪問，這個特點使得它的隨機存取變得非常沒有效率，因此它沒有提供 [] 操作符的重載。但是由於鏈表的特點，它可以很有效率的支持任意地方的插入和刪除操作。

特點

沒有空間預留習慣，所以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占用的內存。
在哪里添加刪除元素性能都很高，不需要移動內存，當然也不需要對每個元素都進行構造與析構了，所以常用來做隨機插入和刪除操作容器。
訪問開始和最后兩個元素最快，其他元素的訪問時間一樣。

優缺點和適用場景

優點：內存不連續，動態操作，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：適用於經常進行插入和刪除操作並且不經常隨機訪問的場景。

例子

以下例子產生一個空 list，准備放置字符，然后將 'a' 至 'z' 的所有字符插入其中，利用循環每次打印並移除集合的第一個元素，從而打印出所有元素：

#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()的返回值告訴我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。循環之內，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> 完全是性能最低的做法，還不如直接使用 list<對象> 或使用 vector<指針> 好，因為指針沒有構造與析構，也不占用很大內存。

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，每個元素值只能出現一次，不允許重復。

特點

set 中的元素都是排好序的，集合中沒有重復的元素;
map 和 set 的插入刪除效率比用其他序列容器高，因為對於關聯容器來說，不需要做內存拷貝和內存移動。

優缺點和適用場景

優點：使用平衡二叉樹實現，便於元素查找，且保持了元素的唯一性，以及能自動排序。

缺點：每次插入值的時候，都需要調整紅黑樹，效率有一定影響。

適用場景：適用於經常查找一個元素是否在某群集中且需要排序的場景。

例子

下面的例子演示 set（集合）的兩個特點：

#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，但是集合中只有 3 個數並且是有序的，可見之前說過的 set 集合的兩個特點，有序和不重復。

當 set 集合中的元素為結構體時，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 
*/

可以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，否則打印出的是亂碼。

另外 Multiset 和 set 相同，只不過它允許重復元素，也就是說 multiset 可包括多個數值相同的元素。這里不再做過多介紹。

2.5 map

map 由紅黑樹實現，其元素都是 “鍵值/實值” 所形成的一個對組（key/value pairs)。每個元素有一個鍵，是排序准則的基礎。每一個鍵只能出現一次，不允許重復。

map 主要用於資料一對一映射的情況，map 內部自建一顆紅黑樹，這顆樹具有對數據自動排序的功能，所以在 map 內部所有的數據都是有序的。比如一個班級中，每個學生的學號跟他的姓名就存在着一對一映射的關系。

特點

自動建立 Key - value 的對應。key 和 value 可以是任意你需要的類型。
根據 key 值快速查找記錄，查找的復雜度基本是 O(logN)，如果有 1000 個記錄，二分查找最多查找 10次(1024)。
增加和刪除節點對迭代器的影響很小，除了那個操作節點，對其他的節點都沒有什么影響。
對於迭代器來說，可以修改實值，而不能修改 key。

優缺點和適用場景

優點：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一個值，可以創建字典。

缺點：每次插入值的時候，都需要調整紅黑樹，效率有一定影響。

適用場景：適用於需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，但允許重復元素，也就是說 multimap 可包含多個鍵值（key）相同的元素。這里不再做過多介紹。

2.6 容器配接器

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

1、stack

名字說明了一切，stack 容器對元素采取 LIFO（后進先出）的管理策略。

2、queue

queue 容器對元素采取 FIFO（先進先出）的管理策略。也就是說，它是個普通的緩沖區（buffer）。

3、priority_queue

priority_queue 容器中的元素可以擁有不同的優先權。所謂優先權，乃是基於程序員提供的排序准則（缺省使用 operators）而定義。Priority queue 的效果相當於這樣一個 buffer：“下一元素永遠是queue中優先級最高的元素”。如果同時有多個元素具備最髙優先權，則其次序無明確定義。

三、總結

各容器的特點總結

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，每個元素值只能出現一次，不允許重復，且插入和刪除效率比用其他序列容器高。
map 可以自動建立 Key - value 的對應，key 和 value 可以是任意你需要的類型，根據 key 快速查找記錄。

在實際使用過程中，到底選擇這幾種容器中的哪一個，應該根據遵循以下原則：

1、如果需要高效的隨機存取，不在乎插入和刪除的效率，使用 vector。
2、如果需要大量的插入和刪除元素，不關心隨機存取的效率，使用 list。
3、如果需要隨機存取，並且關心兩端數據的插入和刪除效率，使用 deque。
4、如果打算存儲數據字典，並且要求方便地根據 key 找到 value，一對一的情況使用 map，一對多的情況使用 multimap。
5、如果打算查找一個元素是否存在於某集合中，唯一存在的情況使用 set，不唯一存在的情況使用 multiset。

各容器的時間復雜度分析

vector 在頭部和中間位置插入和刪除的時間復雜度為 O(N)，在尾部插入和刪除的時間復雜度為 O(1)，查找的時間復雜度為 O(1)；
deque 在中間位置插入和刪除的時間復雜度為 O(N)，在頭部和尾部插入和刪除的時間復雜度為 O(1)，查找的時間復雜度為 O(1)；
list 在任意位置插入和刪除的時間復雜度都為 O(1)，查找的時間復雜度為 O(N)；
set 和 map 都是通過紅黑樹實現，因此插入、刪除和查找操作的時間復雜度都是 O(log N)。

各容器的共性

各容器一般來說都有下列函數：默認構造函數、復制構造函數、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()：返回容器最后一個元素后面一位的迭代器指針；
rbegin()：返回一個逆向迭代器指針，指向容器最后一個元素；
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()：刪除容器中的所有的元素；
erase(it)：刪除迭代器指針it處元素。

參考：

《C++標准庫 - 侯捷》中的 5.2 節-容器

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