[C++ STL] 各容器简单介绍

一、什么是STL?
二、容器（Containers）
- 2.1 vector
- 2.2 deque
- 2.3 list
- 2.4 set
- 2.5 map
- 2.6 容器配接器
三、总结

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一、什么是STL?

1、STL（Standard Template Library），即标准模板库，是一个高效的C++程序库，包含了诸多常用的基本数据结构和基本算法。为广大C++程序员们提供了一个可扩展的应用框架，高度体现了软件的可复用性。

2、从逻辑层次来看，在STL中体现了泛型化程序设计的思想（generic programming）。在这种思想里，大部分基本算法被抽象，被泛化，独立于与之对应的数据结构，用于以相同或相近的方式处理各种不同情形。

3、从实现层次看，整个STL是以一种类型参数化（type parameterized）的方式实现的，基于模板（template）。

STL有六大组件，但主要包含容器、迭代器和算法三个部分。

容器（Containers）：用来管理某类对象的集合。每一种容器都有其优点和缺点，所以，为了应付程序中的不同需求，STL 准备了七种基本容器类型。
迭代器（Iterators）：用来在一个对象集合的元素上进行遍历动作。这个对象集合或许是个容器，或许是容器的一部分。每一种容器都提供了自己的迭代器，而这些迭代器了解该种容器的内部结构。
算法（Algorithms）：用来处理对象集合中的元素，比如 Sort，Search，Copy，Erase 那些元素。通过迭代器的协助，我们只需撰写一次算法，就可以将它应用于任意容器之上，这是因为所有容器的迭代器都提供一致的接口。

STL 的基本观念就是将数据和操作分离。数据由容器进行管理，操作则由算法进行，而迭代器在两者之间充当粘合剂，使任何算法都可以和任何容器交互运作。这一篇博客暂时只介绍容器，下一篇介绍迭代器。

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二、容器（Containers）

容器用来管理某类对象。为了应付程序中的不同需求，STL 准备了两类共七种基本容器类型：

序列式容器（Sequence containers），此为可序群集，其中每个元素均有固定位置—取决于插入时机和地点，和元素值无关。如果你以追加方式对一个群集插入六个元素，它们的排列次序将和插入次序一致。STL提供了三个序列式容器：向量（vector）、双端队列（deque）、列表（list），此外你也可以把 string 和 array 当做一种序列式容器。
关联式容器（Associative containers），此为已序群集，元素位置取决于特定的排序准则以及元素值，和插入次序无关。如果你将六个元素置入这样的群集中，它们的位置取决于元素值，和插入次序无关。STL提供了四个关联式容器：集合（set）、多重集合（multiset）、映射（map）和多重映射（multimap）。

示意图如下图所示：

2.1 vector

vector（向量）: 是一种序列式容器，事实上和数组差不多，但它比数组更优越。一般来说数组不能动态拓展，因此在程序运行的时候不是浪费内存，就是造成越界。而 vector 正好弥补了这个缺陷，它的特征是相当于可拓展的数组（动态数组），它的随机访问快，在中间插入和删除慢，但在末端插入和删除快。

特点

拥有一段连续的内存空间，并且起始地址不变，因此它能非常好的支持随机存取，即 [] 操作符，但由于它的内存空间是连续的，所以在中间进行插入和删除会造成内存块的拷贝，另外，当该数组后的内存空间不够时，需要重新申请一块足够大的内存并进行内存的拷贝。这些都大大影响了 vector 的效率。
对头部和中间进行插入删除元素操作需要移动内存，如果你的元素是结构或类，那么移动的同时还会进行构造和析构操作，所以性能不高。
对最后元素操作最快（在后面插入删除元素最快），此时一般不需要移动内存，只有保留内存不够时才需要。

优缺点和适用场景

优点：支持随机访问，即 [] 操作和 .at()，所以查询效率高。

缺点：当向其头部或中部插入或删除元素时，为了保持原本的相对次序，插入或删除点之后的所有元素都必须移动，所以插入的效率比较低。

适用场景：适用于对象简单，变化较小，并且频繁随机访问的场景。

例子

以下例子针对整型定义了一个 vector，插入 6 个元素，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] <<" "; // 输出：0 1 2 3 4 5return 0;
}

2.2 deque

deque（double-ended queue）是由一段一段的定量连续空间构成。一旦要在 deque 的前端和尾端增加新空间，便配置一段定量连续空间，串在整个 deque 的头端或尾端。因此不论在尾部或头部安插元素都十分迅速。在中间部分安插元素则比较费时，因为必须移动其它元素。deque 的最大任务就是在这些分段的连续空间上，维护其整体连续的假象，并提供随机存取的接口。

特点

按页或块来分配存储器的，每页包含固定数目的元素。
deque 是 list 和 vector 的折中方案。兼有 list 的优点，也有vector 随机线性访问效率高的优点。

优缺点和适用场景

优点：支持随机访问，即 [] 操作和 .at()，所以查询效率高；可在双端进行 pop，push。

缺点：不适合中间插入删除操作；占用内存多。

适用场景：适用于既要频繁随机存取，又要关心两端数据的插入与删除的场景。

例子

以下例子声明了一个浮点类型的 deque，并在容器尾部插入 6 个元素，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] << " "; // 输出：0 1 2 3 4 5return 0;
}

2.3 list

List 由双向链表（doubly linked list）实现而成，元素也存放在堆中，每个元素都是放在一块内存中，他的内存空间可以是不连续的，通过指针来进行数据的访问，这个特点使得它的随机存取变得非常没有效率，因此它没有提供 [] 操作符的重载。但是由于链表的特点，它可以很有效率的支持任意地方的插入和删除操作。

特点

没有空间预留习惯，所以每分配一个元素都会从内存中分配，每删除一个元素都会释放它占用的内存。
在哪里添加删除元素性能都很高，不需要移动内存，当然也不需要对每个元素都进行构造与析构了，所以常用来做随机插入和删除操作容器。
访问开始和最后两个元素最快，其他元素的访问时间一样。

优缺点和适用场景

优点：内存不连续，动态操作，可在任意位置插入或删除且效率高。

缺点：不支持随机访问。

适用场景：适用于经常进行插入和删除操作并且不经常随机访问的场景。

例子

以下例子产生一个空 list，准备放置字符，然后将 'a' 至 'z' 的所有字符插入其中，利用循环每次打印并移除集合的第一个元素，从而打印出所有元素：

#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;
}

成员函数empty()的返回值告诉我们容器中是否还有元素，只要这个函数返回 false，循环就继续进行。循环之内，成员函数front()会返回第一个元素，pop_front()函数会删除第一个元素。

注意：list<指针> 完全是性能最低的做法，还不如直接使用 list<对象> 或使用 vector<指针> 好，因为指针没有构造与析构，也不占用很大内存。

2.4 set

set（集合）由红黑树实现，其内部元素依据其值自动排序，每个元素值只能出现一次，不允许重复。

特点

set 中的元素都是排好序的，集合中没有重复的元素;
map 和 set 的插入删除效率比用其他序列容器高，因为对于关联容器来说，不需要做内存拷贝和内存移动。

优缺点和适用场景

优点：使用平衡二叉树实现，便于元素查找，且保持了元素的唯一性，以及能自动排序。

缺点：每次插入值的时候，都需要调整红黑树，效率有一定影响。

适用场景：适用于经常查找一个元素是否在某群集中且需要排序的场景。

例子

下面的例子演示 set（集合）的两个特点：

#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;
}

输出结果：1 2 3。一共插入了 4 个数，但是集合中只有 3 个数并且是有序的，可见之前说过的 set 集合的两个特点，有序和不重复。

当 set 集合中的元素为结构体时，该结构体必须实现运算符 ‘<’ 的重载：

#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({"张三",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 年龄：%d\n", (*it).name.c_str(), (*it).age);}return 0;
}/*
输出结果
姓名：王二麻子 年龄：10
姓名：张三 年龄：14
姓名：李四 年龄：16
*/

可以看到结果是按照年龄由小到大的顺序排列。另外 string 要使用c_str()转换一下，否则打印出的是乱码。

另外 Multiset 和 set 相同，只不过它允许重复元素，也就是说 multiset 可包括多个数值相同的元素。这里不再做过多介绍。

2.5 map

map 由红黑树实现，其元素都是 “键值/实值” 所形成的一个对组（key/value pairs)。每个元素有一个键，是排序准则的基础。每一个键只能出现一次，不允许重复。

map 主要用于资料一对一映射的情况，map 内部自建一颗红黑树，这颗树具有对数据自动排序的功能，所以在 map 内部所有的数据都是有序的。比如一个班级中，每个学生的学号跟他的姓名就存在着一对一映射的关系。

特点

自动建立 Key - value 的对应。key 和 value 可以是任意你需要的类型。
根据 key 值快速查找记录，查找的复杂度基本是 O(logN)，如果有 1000 个记录，二分查找最多查找 10次(1024)。
增加和删除节点对迭代器的影响很小，除了那个操作节点，对其他的节点都没有什么影响。
对于迭代器来说，可以修改实值，而不能修改 key。

优缺点和适用场景

优点：使用平衡二叉树实现，便于元素查找，且能把一个值映射成另一个值，可以创建字典。

缺点：每次插入值的时候，都需要调整红黑树，效率有一定影响。

适用场景：适用于需要存储一个数据字典，并要求方便地根据key找value的场景。

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,"张三" });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("学号：%d 姓名：%s\n", (*it).first, (*it).second.c_str());}return 0;
}/*
输出结果：
学号：3 姓名：李四
学号：4 姓名：隔壁老王
学号：5 姓名：张三
*/

multimap 和 map 相同，但允许重复元素，也就是说 multimap 可包含多个键值（key）相同的元素。这里不再做过多介绍。

2.6 容器配接器

除了以上七个基本容器类别，为满足特殊需求，STL还提供了一些特别的（并且预先定义好的）容器配接器，根据基本容器类别实现而成。包括：

1、stack

名字说明了一切，stack 容器对元素采取 LIFO（后进先出）的管理策略。

2、queue

queue 容器对元素采取 FIFO（先进先出）的管理策略。也就是说，它是个普通的缓冲区（buffer）。

3、priority_queue

priority_queue 容器中的元素可以拥有不同的优先权。所谓优先权，乃是基于程序员提供的排序准则（缺省使用 operators）而定义。Priority queue 的效果相当于这样一个 buffer：“下一元素永远是queue中优先级最高的元素”。如果同时有多个元素具备最髙优先权，则其次序无明确定义。

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三、总结

各容器的特点总结

vector 头部与中间插入和删除效率较低，在尾部插入和删除效率高，支持随机访问。
deque 是在头部和尾部插入和删除效率较高，支持随机访问，但效率没有 vector 高。
list 在任意位置的插入和删除效率都较高，但不支持随机访问。
set 由红黑树实现，其内部元素依据其值自动排序，每个元素值只能出现一次，不允许重复，且插入和删除效率比用其他序列容器高。
map 可以自动建立 Key - value 的对应，key 和 value 可以是任意你需要的类型，根据 key 快速查找记录。

在实际使用过程中，到底选择这几种容器中的哪一个，应该根据遵循以下原则：

1、如果需要高效的随机存取，不在乎插入和删除的效率，使用 vector。
2、如果需要大量的插入和删除元素，不关心随机存取的效率，使用 list。
3、如果需要随机存取，并且关心两端数据的插入和删除效率，使用 deque。
4、如果打算存储数据字典，并且要求方便地根据 key 找到 value，一对一的情况使用 map，一对多的情况使用 multimap。
5、如果打算查找一个元素是否存在于某集合中，唯一存在的情况使用 set，不唯一存在的情况使用 multiset。

各容器的时间复杂度分析

vector 在头部和中间位置插入和删除的时间复杂度为 O(N)，在尾部插入和删除的时间复杂度为 O(1)，查找的时间复杂度为 O(1)；
deque 在中间位置插入和删除的时间复杂度为 O(N)，在头部和尾部插入和删除的时间复杂度为 O(1)，查找的时间复杂度为 O(1)；
list 在任意位置插入和删除的时间复杂度都为 O(1)，查找的时间复杂度为 O(N)；
set 和 map 都是通过红黑树实现，因此插入、删除和查找操作的时间复杂度都是 O(log N)。

各容器的共性

各容器一般来说都有下列函数：默认构造函数、复制构造函数、析构函数、empty()、max_size()、size()、operator=、operator<、operator<=、operator>、operator>=、operator==、operator!=、swap()。

顺序容器和关联容器都共有下列函数：

begin() ：返回容器第一个元素的迭代器指针；
end()：返回容器最后一个元素后面一位的迭代器指针；
rbegin()：返回一个逆向迭代器指针，指向容器最后一个元素；
rend()：返回一个逆向迭代器指针，指向容器首个元素前面一位；
clear()：删除容器中的所有的元素；
erase(it)：删除迭代器指针it处元素。

参考：

《C++标准库 - 侯捷》中的 5.2 节-容器