【理解STL】

目录

  • 一、STL的概念
    • 1、STL的定义
    • 2、STL的组成
  • 二、容器
    • 1、容器的定义及作用
    • 2、string类(非容器)
    • 3、vector容器
    • 4、set容器
    • 5、queue容器
    • 6、priority_queue容器
    • 7、stack容器
    • 8、deque容器
    • 9、map容器
    • 10、pair容器
    • 11、bitset容器
    • 12、map和set的区别
    • 13、vector和list的区别
  • 三、分配器(allocaotr)
  • 四、迭代器(iterator)
    • 1、迭代器的概念
    • 2、迭代器和指针的区别
    • 3、迭代器产生的原因

一、STL的概念

1、STL的定义

STL是惠普实验室开发的一系列标准化组件的统称。STL的一个基本理念就是将数据和操作分离,数据由容器加以管理,操作则由可定制的算法完成,迭代器在两者之间充当“黏合剂”。

2、STL的组成

STL主要由六个部分组成:分配器(allocator)、配接器(adapters)、容器(containers)、迭代器(Iterator)、仿函数(functors)、算法(algorithm)。

分配器给容器分配存储空间,算法通过迭代器获取容器中的内容,仿函数可以协助算法完成各种操作,配接器用来套接适配仿函数。

二、容器

1、容器的定义及作用

容器是存储其他对象的对象,它存储的对象可以是自定义数据类型的对象,也可以是内置数据类型的对象。这些被存储的对象必须是同一种数据类型,它们归容器所有,称为容器的元素。当容器失效时,容器中的元素也会失效。容器本身包含了处理这些数据的方法。另外,容器最重要的优点就是它可以扩展自身的大小。
从实现角度来看,STL容器是一种类模板(class template)。
STL容器是将运用最广泛的一些数据结构实现出来,数组(array)、链表(list)、树(tree)、栈(stack)、队列(queue)、集合(set)、映射表(map),根据数据在容器中的排列特性,分为序列式容器和关联式容器。

序列式容器:容器元素在容器中的位置是由元素进入容器的时间和地点来决定。有:vector容器、deque容器、list容器、stack容器、queue容器。

关联式容器:是指容器已经有了一定的规则,容器元素在容器中的位置由我的规则来决定。是可以存储键-值对的容器,使用键来快速检索值,里面存储的是<key, value>结构的键值对,在数据检索时比序列式容器的效率高,有:set/multiset容器、map/multimap容器。

2、string类(非容器)

string类与STL容器有很多相似的操作,C++中的string类相当于是字符数组,但是其更方便于我们的操作,不需要在输入之前初始化字符数组的容量,节省了空间。

3、vector容器

vector是变长数组(vector内部使用动态内存分配,可以根据需要动态增加或减少其占用的内存空间,这样可以在运行时接喊个空间,因为vector只会使用实际需要的内存空间),在堆上分配空间,支持随机访问(由于vector内部使用数组来存储元素,因此可以通过索引直接访问任意位置的元素),不支持在任意位置O(1)插入。为了保证效率,元素的增删都应该在末尾进行(在中间或者开头进行插入操作是O(n)的,因为涉及到元素的移动和内存的重新分配)。

vector的用法举例:

#include<vector>/*vector 生成*/
vector<int> vct(3);//数组中有3个元素,不指定的情况下默认为0
vector<int>vct(3,5);//数组中有3个元素,全是5
vector<int>vct{123};//数组中的元素为1,2,3/*vector 头尾*/
vector.front();//第一个元素
vector.back();//最后一个元素/*vector 迭代器*/
vector<int>::iterator iter //一个vector的迭代器
vct.begin()//指向vct中第一个元素位置的迭代器
vct.end()//指向vct中最后一个元素位置的迭代器/*vector 插入*/
vct.push_back(1);//在尾部插入一个1
vct.insert(vct.begin(),1);//在指定位置前面插入一个元素1/*vector 删除*/
vct.pop_back();//删除vct中最后一个元素
vct.erase(vct.begin());//删除指定位置的元素
vct.erase(vct.begin()+1, vct.end()-2);//删除vct中第二个元素到倒数第三个元素中的所有元素(包括第二个和倒数第三个)/*vector 容量*/
vct.size()/*vector 遍历*/
for(int i = 0;i<vct.size();i++)//索引遍历
for(vector<int>::iterator iter = vct.begin(); iter != vct.end();iter++)//迭代器遍历
for(auto &x :vct)//迭代器的另一种便捷遍历方法/*vector 排序*/
sort(vct.begin(),vct.end());/*vector 查找*/
vct.find(2);//从前往后,找元素2,若找到,则返回指向该处的迭代器,若没找到,则返回vct.end()/*vector 某元素的个数*/
vct.count(2);//返回容器中2的个数/*vector 判空*/
vct.empty()//返回布尔值/*vector 清空*/
vct.clear();

4、set容器

头文件主要包括set和multiset两个容器,分别是“有序集合”和“有序多重集合”,即前者的元素不能重复,而后者可以包含若跟个相等的元素,两者都会将其容器内的元素按照从小到大自动排序。set内部使用二叉搜索树(红黑树,RB Tree)数据结构来存储元素,并根据元素的键值进行自动排序。

set的用法如下:

#incude<set>/*set生成*/
set<int> st;/*set 迭代器*/
set<int>::iterator iter
st.begin()
st.end()/*set 插入*/
set.insert(2);//插入一个为值为2的元素/*set 删除*/
st.erase(st.begin());//删除迭代器指向元素
st.erase(2);//删除所有为2的元素/*set 容量*/
st.size();/*set 查找*/
st.find(2);//从前往后找为2的元素,若找到,返回指向该处的迭代器,反之,返回迭代器st.end()
st.lower_bound(x);//二分查找大于等于x的元素中最小的一个,并返回指向该元素的迭代器
st.upper_bound(x);//二分查找大于等于x的元素中最大的一个,并返回指向该元素的迭代器、/*set 某元素的个数*/
st.count(2);//返回容器里2的个数/*set 判空*/
st.empty();//返回布尔值/*set 清空*/
st.clear();

5、queue容器

头文件queue主要包括循环队列queue和优先队列priority_queue两个容器,其中queue容器相当于队列,满足先进先出的原则,即队尾进、队首出。

queue的用法举例:

#include<queue>/*queue 生成*/
queue<int> q;/*queue 头尾*/
q.front();
q.back();/*queue 插入*/
q.push();//在队首插入一个元素/*queue 删除*/
q.pop();//在队首删除一个元素/*queue 容量*/
q.size();/*queue 判空*/
q.empty()

6、priority_queue容器

priority_queue容器相当于大根堆(或者小根堆),大根堆每次堆项是最大元素,小根堆每次堆项是最小元素。

priority_queue用法举例:

#include<queue>/*priority_queue 生成*/
priority_queue<int> pq;//大根堆
priority_queue<int,vector<int>,greater<int>> pq;//小根堆/*priority_queue 插入*/
pq.push(2);//把元素2插入堆/*priority_queue 删除*/
pq.pop();//删除堆顶的元素/*priority_queue 堆项*/
pq.top();//返回堆顶元素/*priority_queue 容量*/
pq.size();/*priority_queue 判空*/
pq.empty()

7、stack容器

stack容器相当于栈,满足先进后出的原则,即插入和删除都只能在栈顶操作。

stack用法举例:

#include<stack>/*stack 生成*/
stack<int> sk;/*stack 插入*/
sk.push(1);//把元素1放入栈顶/*stack 删除*/
sk.pop();//删除栈顶元素/*stack 栈顶*/
sk.top();//返回栈顶元素/*stack 容量*/
sk.size();/*stack 判空*/
sk.empty()

8、deque容器

双端队列deaue容器是一个支持在两端高效插入或删除元素的连续性存储空间,它就像是vector和queue的结合。与vector相比,deque在头部增删元素仅需要O(1)的时间,与queue相比,deque像数组一样支持随机访问。

deque的用法举例:

#include<deque>/*deque 生成*/
deque<int> dq;/*deque 迭代器*/
deque<int>::iterator iter
dq.begin()
dq.end()/*deque 插入*/
dq.push_front(1);//在头部插入元素1
dq.push_back(1);//在尾部插入元素1/*deque 删除*/
dq.pop_front();//删除头部元素
dq.pop_back();//删除尾部元素/*deque 容量*/
dq.size();/*deque 判空*/
dq.empty()/*deque 头尾*/
dq.front();
dq.back();/*deque 清空*/
dq.clear();

9、map容器

map容器是一个键值对key-value的映射,其内部实现是一颗以key为关键码的红黑树。map的key和value可以是任意类型。unordered_map的底层结构是哈希表。

map的用法举例:

#include<map>/*map 生成*/
map<key_type, value_type> name;
map<int, int> mp;/*map 迭代器*/
map<int, int>::iterator iter
mp.begin()
mp.end()/*map 键值*/
iter->first//key
iter->second//value/*map 插入*/
mp[2] = 5;//2是key,5是value
mp.insert(pair<int, int>(2,5));//insert一个pair/*map 删除*/
mp.erase(iter);//删除迭代器所指的键值对/*map 容量*/
mp.size()/*map 查找*/
mp.find(2);//从前往后,找元素2,若找到,则返回指向该处的迭代器,反之,返回迭代器mp.end()/*map 某元素的个数*/
mp.count(2);/*map 判空*/
mp.empty()/*map 清空*/
mp.clear();

10、pair容器

pair容器相当于将两份数据打包为一对,两份数据的数据类型任意,多与其他容器混合使用,单独使用的情况比较少。
pair的用法举例:

#include<utility>/*pair 生成*/
pair<int,int> pr = make_pair(0,1);/*pair 两个值*/
pr.first
pr.second/*pair 多与其他容器混合使用*/
set<pair<int,int>> st;
vector<pair<int,int>> vct(mp.begin(), mp.end());

11、bitset容器

bitset容器相当于是0/1数组,其方便之处是可以直接按位进行位运算,但是要注意下标从小到大依次存低位到高位,是逆序的。

#include<bitset>/*bitset 生成*/
bitset<4> bt;//生成4位二进制数,初始化为0000
bitset<8> bt(12);//生成8位二进制数,且将十进制数12转化为二进制数存入其中,12的二进制数为:0000 1100
bitset<8> bt(str);//str可以是只有0/1的字符串或字符数组/*bitset 位相关运算*/
bt1 |= bt2;//按位或
bt1 &= bt2;//按位与
bt1 ^= bt2;//按位异或
bt1 =~ bt2;//按位取反
bt1 <<= x;//左移x位bt.test(x)//判断第x个位置是0还是1,也就是输出第x个位置,注意逆序bt.flip();//将二进制每一位取反
bt.flip(x);//将二进制第x位取反
bt.set();//将二进制每一个位置都置为1
bt.set(x);//将二进制第x个位置1
bt.reset();//将二进制每一个位置都置0
bt.reset(x);//将二进制第x个位置置0/*bitset 容量*/
bt.size()//二进制数组的长度,也就是生成时定义的长度/*bitset 某元素的个数*/
bt.count();//查询二进制数组中1的个数/*bitset 转化字符串*/
string str = bt.to_string();//将二进制数组转化为字符串

12、map和set的区别

  1. map中的元素是key-value(关键字-值)对:关键字起到索引的作用,值则表示与索引相关联的数据;set与之相对的就是关键字的简单集合,set中每个元素只包含一个关键字;
  2. set的迭代器是const的,不允许修改元素的值;map允许修改value,但不允许修改key。其原因是map和set是根据关键字排序来保证其有序性的,如果允许修改key的话,那么首先需要删除该键,然后调节平衡,再插入修改后的键值,调节平衡,如此一来,严重破坏了map和set的结构,导致iterator失效,不知道应该指向改变前的位置还是改变后的位置,所以STL中将set的迭代器设置为const,不允许修改迭代器的值;而map的迭代器则不允许修改key的值,允许修改value的值。
  3. map支持下标操作,set不支持下标操作。map可以用key做下标,map的下标运算符[]将关键码作为下标去执行查找,如果关键码不存在,则插入一个具有该关键码和mapped_type类型默认值的元素到map容器中,因此下标运算符[]在map中应谨慎使用,在const_map中不能用,只希望确定某一个关健值是否存在而不希望插入元素时也不能用,mapped_type类型没有默认值也不应该使用。如果find能解决需求,尽量使用find。

13、vector和list的区别

1、vector
连续存储的数组、动态数组、在堆上分配空间
底层实现:数组
两倍容量增长
vector增加(插入)新元素时,如果未超过当时的容量,还有剩余的空间,则直接添加到最后(插入指定位置),然后调整迭代器;若没有剩余空间,则会重新配置原有元素个数的两倍空间,然后将原空间元素通过复制的方式初始化新空间,再向新空间增加元素,最后析构并释放原空间,之前的迭代器会失效。
性能:
访问:O(1)
插入:在最后插入(空间够):很快
在最后插入(空间不够):需要内存申请和释放,以及对之前数据进行拷贝
在中间插入(空间够):内存拷贝
在中间插入(空间不够):需要内存申请和释放,以及对之前数据进行拷贝
删除:删除末尾:很快
在中间删除:内存拷贝
适用场景:经常随机访问,且不经常对非尾节点进行插入删除
2、list
动态链表、在堆上分配空间、每插入一个元素都会分配空间,每删除一个元素都会释放空间
底层:双向链表
性能:
访问:随机访问性能很差,只能快速访问头尾节点
插入:很快,一般是常数开销
删除:很快,一般是常数开销
适用场景:经常插入删除大量数据
3、区别

  1. vector底层实现是数组,list是双向链表;
  2. vector支持随机访问,list不支持;
  3. vector是顺序内存,list不是;
  4. vector在中间进行插入删除需要进行内存拷贝,list不需要;
  5. vector一次性分配好内存,不够时才进行两倍扩容;list每次插入新节点都会进行内存申请;
  6. vector随机访问性好,插入删除性能差;list随机访问性差,插入删除性能好。
  7. 适用场景不同,vector适用于需要高效进行随机访问而不在乎插入和删除的效率的场景;list适用于需要高效进行插入和删除而不关心随机访问效率的场景。

三、分配器(allocaotr)

STL的空间适配器用于封装STL容器在内存管理上的底层细节。在C++中,其内存配置和释放如下:

new运算分为两个阶段:(1)调用::operator new配置内存(2)调用对象构造函数构造对象内容
delete运算分为两个阶段:(1)调用对象析构函数(2)调用::operator delete释放内存

为了精密分工,STL allocaotr将两个阶段操作区分开来,内存配置由alloc::allocate()负责,内存释放由alloc::deallocate()负责;对象构造由::construct()负责,对象析构由::destroy()负责。

同时为了提升内存管理的效率,减少申请小内存造成的内存碎片化的问题,SGI STL采用了两级配置器,当分配的空间大小超过128B时,会使用第一级空间配置器;当配置的空间大小小于128B时,将使用第二级空间配置器。第一级空间配置器直接使用malloc()、realloc()、free()函数进行内存的分配和释放,而第二级空间适配器则采用了内存池技术,通过空闲链表来管理内存

四、迭代器(iterator)

1、迭代器的概念

iterator模式又称为custor(游标)模式,用于提供一种方法顺序访问一个聚合对象中各个元素,而又不需要暴露该对象的内部表示。换个更容易理解的说法:iterator模式是运用于聚合对象的一种模式,通过运用该模式,我们可以在不知道对象内部表示的情况下,按照一定的顺序(由iterator提供的方法)访问聚合对象中的各个元素。

由于iterator模式的以上特性:与聚合对象耦合,在一定程度上限制了它的广泛运用,一般仅用于底层聚合支持类,如STL的list、vector、stack等容器类及ostream_iterator等扩展iterator。

2、迭代器和指针的区别

迭代器不是指针,是类模版,表现得像指针。它只是模拟了指针的一些功能,通过重载了指针的一些操作符->、、++、–等迭代器封装了指针,是一个“可遍历的STL(Standard Template Library)容器内全部或部分元素”的对象,本质是封装了原生指针,是指针概念的一种提升(lift),提供了比指针更高级的行为,相当于一种只能指针,它可以根据不同类型的数据结构来实现不同的++,–等操作。
迭代器返回的是对象引用而不是对象的值,所以cout只能输出迭代器使用
取值后的值,而不能直接输出其自身。

3、迭代器产生的原因

iterator类的访问方式就是把不同集合类的访问逻辑抽象出来,使得不用暴露集合内部的结构而达到循环遍历集合的效果。

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