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STL整理

article 2024/11/7 4:12:48

1. 主要组件

容器（Containers）：各种数据结构，如Vector,List,Deque,Set,Map,用来存放数据，STL容器是一种Class Template。
算法（Algorithms）：各种常用算法如Sort,Search,Copy,Erase,从实现的角度来看，STL算法是一种Function Templates。
迭代器（Iterators）：扮演容器与算法之间的胶合剂，是所谓的“泛型指针”，共有五种类型，以及其它衍生变化，从实现的角度来看，迭代器是一种将：Operators*,Operator->,Operator++,Operator--等相关操作予以重载的Class Template。所有STL容器都附带有自己专属的迭代器——是的，只有容器设计者才知道如何遍历自己的元素，原生指针（Native pointer）也是一种迭代器。
仿函数（Functors）：行为类似函数，可作为算法的某种策略（Policy）,从实现的角度来看，仿函数是一种重载了Operator()的Class 或 Class Template。一般函数指针可视为狭义的仿函数。
适配器（配接器）（Adapters）：一种用来修饰容器（Containers）或仿函数（Functors）或迭代器（Iterators）接口的东西，例如：STL提供的Queue和Stack，虽然看似容器，其实只能算是一种容器配接器，因为它们的底部完全借助Deque，所有操作有底层的Deque供应。改变Functor接口者，称为Function Adapter;改变Container接口者，称为Container Adapter;改变Iterator接口者，称为Iterator Adapter。
分配器（Allocators）：负责空间配置与管理，从实现的角度来看，配置器是一个实现了动态空间配置、空间管理、空间释放的Class Template。

2.Vector原理

数据安排及操作方式与array非常相似。两者的唯一差别在于空间运用的灵活性。
静态空间，一旦配置好了就不能改变了，如果程序需要一个更大的array，只能自己再申请一个更大的array，然后将以前的array中的内容全部拷贝到新的array中。
动态开辟的空间，随着元素的加入，它的内部机制会自动扩充空间以容纳新的元素。
在增加元素时，如果超过自身最大的容量，vector则将自身的容量扩充为原来的两倍。扩充空间需要经过的步骤：重新配置空间，元素移动，释放旧的内存空间。一旦vector空间重新配置，则指向原来vector的所有迭代器都失效了，因为vector的地址改变了。
vector为什么要用加倍扩容而不是每次增加一个固定的扩容容量？

vector在push_back以成倍增长可以在均摊后达到O(1)的事件复杂度，相对于增长指定大小的O(n)时间复杂度更好。

为了防止申请内存的浪费，现在使用较多的有2倍与1.5倍的增长方式，而1.5倍的增长方式可以更好的实现对内存的重复利用。

vector的扩容方式为什么是1.5倍或2倍？
假如说我们是以2倍方式扩容（1，2，4，8，16），则第i次扩容期间所需要的空间总量就是2^i次方，如果第4次扩容时总共需要8个元素大小的空间，但是前3次已经释放的空间加起来的总量，刚好是7，而7小于8，不足以我们第4次扩容时所需要的空间，也就是说，如果恰巧以2倍方式扩容，那么每次扩容时前面释放的空间它都不足以支持本次的扩容！！！那么如果是以更高倍数的方式进行扩容，则这个空间它的浪费情况就会更高！！！也就是说，以2倍或者更高倍数的方式进行扩容，会存在2个问题：
- 空间浪费可能比较大
- 无法使用前面已经释放的空间
STL标准没有严格说明我们应该按照哪一种方式进行扩容，因此不同STL的实现厂商都是按照自己的方式进行扩容的。
一般情况下，在Windows的VS系列编译器下，是按照1.5倍的方式进行扩容，在Linux的g++中，是按照2倍的方式进行扩容的。
size、resize、reserve、capacity的区别

size表示当前vector中有多少个元素（即finish – start）；当前容器所存储的个数，

resize可以改变有效空间的大小，也有改变默认值的功能。capacity的大小也会随着改变。可以有多个参数。创建指定数量的元素并指定vector的存储空间。既分配空间又创建对象。

reserve是直接扩充到已经确定的大小，可以减少多次开辟、释放空间的问题（优化push_back），从而达到提高效率的目的，其次还可以减少多次要拷贝数据的问题。reserve它只是保证vector中的空间大小（capacity）最少达到参数所指定的大小n。并且它只有一个参数。指定vector的元素总数，不创建对象。

capacity函数表示它已经分配的内存中可以容纳多少元素（即end_of_storage – start）。即容器在分配新的存储空间能存储的元素总数。返回vector中能存储元素的最大数。

vector可能导致其迭代器失效的操作有哪些？

resize、reserve、insert、assign、push_back等会引起其底层空间改变的操作，都有可能使迭代器失效。

指定位置元素的删除操作--erase。

push_back和emplace_back的区别？

emplace_back() 和 push_back() 的主要区别，就在于底层实现的机制不同。push_back() 向容器尾部添加元素时，首先会创建这个元素，然后再将这个元素拷贝或者移动到容器中（如果是拷贝的话，事后会自行销毁先前创建的这个元素）；而 emplace_back() 在实现时，则是直接在容器尾部创建这个元素，省去了拷贝或移动元素的过程。

3.List原理

list的底层是一个双向链表，以结点为单位存放数据，结点的地址在内存中不一定连续，每次插入或删除一个元素，就配置或释放一个元素空间。
和vector容器迭代器的实现方式不同，由于 list 容器的元素并不是连续存储的，所以该容器迭代器中，必须包含一个可以指向 list 容器的指针，并且该指针还可以借助重载的 *、++、--、==、!= 等运算符，实现迭代器正确的递增、递减、取值等操作。
常见时间复杂度

vector插入、查找、删除时间复杂度分别为：O(n)、O(1)、O(n)；

list插入、查找、删除时间复杂度分别为：O(1)、O(n)、O(1)。

4. deque原理

deque是一个双向开口的容器，所谓双向开口就是在头尾两端均可以做元素的插入和删除操作。
deque相比于vector最大的差异就在于，支持常数时间内对首尾两端进行插入和删除操作，而且deque没有容量的概念，其内部采用分段连续内存空间来存储元素，在插入元素的时候随时都可以重新增加一段新的空间并链接起来。
deque提供了Ramdon Access Iterator，同时也支持随机访问和存取，但是它也为此付出了昂贵的代价，其复杂度不能跟vector的原生指针迭代器相提并论。
动态开辟的二维数组空间，第二维固定长度的数组空间，扩容的时候（第一维的数组进行2倍扩容）。

deque内部实现的是一个双向队列。元素在内存连续存放。随机存取任何元素都在常数时间完成（仅次于vector）。所有适用于vector的操作都适用于deque。在两端增删元素具有较佳的性能（大部分情况下是常数时间）。
deque的中控器