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C++ 学习笔记:STL 容器一些底层机制

2016-08-31 18:36 561 查看

1、vector 容器

vector 的数据安排以及操作方式,与 array 非常相似。两者的唯一区别在于空间的运用的灵活性。array 是静态空间,一旦配置了就不能改变,vector 是动态数组。在堆上分配空间。vector 是动态空间,随着元素的加入,它的内部机制会自行扩充空间以容纳新元素(有保留内存,如果减少大小后内存也不会释放。如果新值>当前大小时才会再分配内存,这大大影响了
vector 的效率,)。因此,vector 的运用对于内存的合理利用与运用的灵活性有很大的帮助,我们再也不必因为害怕空间不足而一开始要求一个大块的 array。
vector 动态增加大小,并不是在原空间之后持续新空间(因为无法保证原空间之后尚有可供配置的空间),而是以原大小的两倍另外配置一块较大的空间,然后将原内容拷贝过来,然后才开始在原内容之后构造新元素,并释放原空间。因此,对 vector 的任何操作,一旦引起空间重新配置,同时指向原vector
的所有迭代器就都失效了。

对最后元素操作最快(在后面添加删除最快),此时一般不需要移动内存。对中间和开始处进行添加删除元素操作需要移动内存。如果你的元素是结构或是类,那么移动的同时还会进行构造和析构操作,所以性能不高(最好将结构或类的指针放入 vector 中,而不是结构或类本身,这样可以避免移动时的构造与析构)。访问方面,对任何元素的访问都是
O(1),也就是常数时间的。 

总结:

 vector 常用来保存需要经常进行随机访问的内容并且不需要经常对中间元素进行添加删除操作

2、list 容器

相对于 vector 的连续空间,list 就显得复杂许多,它的好处是每次插入或删除一个元素,就配置或释放一个元素空间,元素也是在堆中。因此,list 对于空间的运用有绝对的精准,一点也不浪费。而且,对于任何位置的元素插入或元素移除,永远是常数时间。STL 中的list 底层是一个双向链表而且是一个环状双向链表。这个特点使得它的随即存取变的非常没有效率,因此它没有提供
[] 操作符的重载


总结:

如果你喜欢经常添加删除大对象的话,那么请使用 list;

要保存的对象不大,构造与析构操作不复杂,那么可以使用 vector 代替。
list<指针> 完全是性能最低的做法,这种情况下还是使用 vector<指针> 好,因为指针没有构造与析构,也不占用很大内存

3、deque 容器

deque 是一种双向开口的连续线性空间,元素也是在堆中。所谓双向开口,意思是可以在队尾两端分别做元素的插入和删除操作。deque 和 vector 的最大差异,一在于 deque 允许于常数时间内对起头端进行元素的插入或移除操作,二在于deque没有所谓容量观念,因为它是动态地以分段连续空间组合而成,随时可以增加一段新的空间并链接在一起。换句话说,像
vector 那样“因旧空间不足而重新配置一块更大空间,然后复制元素,再释放旧空间”这样的事情在 deque 是不会发生的。它的保存形式如下:

[堆1] --> [堆2] -->[堆3] --> ...
deque 是由一段一段的定量连续空间构成。一旦有必要在 deque 的前端或尾端增加新空间,便配置一段定量连续空间,串接在整个 deque 的头端或尾端。deque 的最大任务,便是在这些分段的定量连续空间上,维护其整体连续的假象,并提供随机存取的接口。避开了“重新配置,复制,释放”的轮回,代价则是复杂的迭代器架构。因为有分段连续线性空间,就必须有中央控制器,而为了维持整体连续的假象,数据结构的设计及迭代器前进后退等操作都颇为繁琐。
deque 采用一块所谓的 map 作为主控。这里的 map 是一小块连续空间,其中每个元素都是指针,指向另一段连续线性空间,称为缓冲区。缓冲区才是 deque 的存储空间主体。( 底层数据结构为一个中央控制器和多个缓冲区)SGI STL 允许我们指定缓冲区大小,默认值
0 表示将使用 512 bytes 缓冲区。

支持[]操作符,也就是支持随即存取,可以在前面快速地添加删除元素,或是在后面快速地添加删除元素,然后还可以有比较高的随机访问速度和vector 的效率相差无几。deque 支持在两端的操作:push_back,push_front,pop_back,pop_front等,并且在两端操作上与
list 的效率也差不多。
在标准库中 vector 和 deque 提供几乎相同的接口,在结构上区别主要在于在组织内存上不一样,deque 是按页或块来分配存储器的,每页包含固定数目的元素;相反 vector 分配一段连续的内存,vector 只是在序列的尾段插入元素时才有效率,而 deque 的分页组织方式即使在容器的前端也可以提供常数时间的 insert 和 erase 操作,而且在体积增长方面也比 vector 更具有效率。

总结

vector 是可以快速地在最后添加删除元素,并可以快速地访问任意元素;
list 是可以快速地在所有地方添加删除元素,但是只能快速地访问最开始与最后的元素;
deque 在开始和最后添加元素都一样快,并提供了随机访问方法,像vector一样使用 [] 访问任意元素,但是随机访问速度比不上vector快,因为它要内部处理堆跳转。deque 也有保留空间。另外,由于 deque 不要求连续空间,所以可以保存的元素比 vector 更大,这点也要注意一下。还有就是在前面和后面添加元素时都不需要移动其它块的元素,所以性能也很高。

因此在实际使用时,如何选择这三个容器中哪一个,应根据你的需要而定,一般应遵循下面的原则:

1、如果你需要高效的随即存取,而不在乎插入和删除的效率,使用 vector;
2、如果你需要大量的插入和删除,而不关心随即存取,则应使用 list;
3、如果你需要随即存取,而且关心两端数据的插入和删除,则应使用deque。

4、stack

stack 是一种先进后出(First In Last Out , FILO)的数据结构。它只有一个出口,stack 允许新增元素,移除元素,取得最顶端元素。但除了最顶端外,没有任何其它方法可以存取stack的其它元素,stack不允许遍历行为。
以某种容器( 一般用 list 或 deque 实现,封闭头部即可,不用 vector 的原因应该是容量大小有限制,扩容耗时)作为底部结构,将其接口改变,使之符合“先进后出”的特性,形成一个 stack,是很容易做到的。deque 是双向开口的数据结构,若以 deque 为底部结构并封闭其头端开口,便轻而易举地形成了一个stack。因此,SGI
STL 便以 deque 作为缺省情况下的 stack 底部结构,由于 stack 系以底部容器完成其所有工作,而具有这种“修改某物接口,形成另一种风貌”之性质者,称为 adapter(配接器),因此,STL stack 往往不被归类为 container(容器),而被归类为 container adapter。

5、 queue

queue 是一种先进先出(First In First Out,FIFO)的数据结构。它有两个出口,queue 允许新增元素,移除元素,从最底端加入元素,取得最顶端元素。但除了最底端可以加入,最顶端可以取出外,没有任何其它方法可以存取 queue 的其它元素。

以某种容器( 一般用 list 或 deque 实现,封闭头部即可,不用
vector 的原因应该是容量大小有限制,扩容耗时)作为底部结构,将其接口改变,使之符合“先进先出”的特性,形成一个 queue,是很容易做到的。deque 是双向开口的数据结构,若以 deque 为底部结构并封闭其底部的出口和前端的入口,便轻而易举地形成了一个 queue。因此,SGI STL 便以 deque
作为缺省情况下的 queue 底部结构,由于 queue 系以底部容器完成其所有工作,而具有这种“修改某物接口,形成另一种风貌”之性质者,称为 adapter(配接器),因此,STL queue 往往不被归类为container(容器),而被归类为 container adapter。

stack 和 queue 其实是适配器,而不叫容器,因为是对容器的再封装。

6、heap

heap 并不归属于 STL 容器组件,它是个幕后英雄,扮演 priority queue(优先队列)的助手。priority queue 允许用户以任何次序将任何元素推入容器中,但取出时一定按从优先权最高的元素开始取。按照元素的排列方式,heap 可分为 max-heap 和 min-heap 两种,前者每个节点的键值(key)都大于或等于其子节点键值,后者的每个节点键值(key)都小于或等于其子节点键值。因此,
max-heap 的最大值在根节点,并总是位于底层array或vector的起头处;min-heap 的最小值在根节点,亦总是位于底层array或vector起头处。STL 供应的是 max-heap,用 C++ 实现。
堆排序 C++ 语言实现:点击这里

7、priority_queue

priority_queue 是一个拥有权值观念的 queue,它允许加入新元素,移除旧元素,审视元素值等功能。由于这是一个 queue,所以只允许在底端加入元素,并从顶端取出元素,除此之外别无其它存取元素的途径。priority_queue 带有权值观念,其内的元素并非依照被推入的次序排列,而是自动依照元素的权值排列(通常权值以实值表示)。权值最高者,排在最前面。缺省情况下
priority_queue 系利用一个 max-heap 完成,后者是一个以vector 表现的 complete binary tree.max-heap 可以满足 priority_queue 所需要的“依权值高低自动递减排序”的特性。
priority_queue 完全以底部容器(一般为vector为底层容器)作为根据,再加上
heap 处理规则,所以其实现非常简单。缺省情况下是以 vector 为底部容器。queue 以底部容器完成其所有工作。具有这种“修改某物接口,形成另一种风貌“”之性质者,称为 adapter(配接器),因此,STL priority_queue 往往不被归类为 container(容器),而被归类为 container adapter。

8、set 和 multiset 容器

set 的特性是,所有元素都会根据元素的键值自动被排序。set 的元素不像 map 那样可以同时拥有实值(value)和键值(key),set 元素的键值就是实值,实值就是键值,set不允许两个元素有相同的值set 底层是通过红黑树(RB-tree)来实现的,由于红黑树是一种平衡二叉搜索树,自动排序的效果很不错,所以标准的
STL 的 set 即以 RB-Tree 为底层机制。又由于 set 所开放的各种操作接口,RB-tree 也都提供了,所以几乎所有的 set 操作行为,都只有转调用 RB-tree 的操作行为而已。

multiset的特性以及用法和 set 完全相同,唯一的差别在于它允许键值重复,因此它的插入操作采用的是底层机制是 RB-tree 的 insert_equal() 而非 insert_unique()。

9、map 和 multimap 容器

map的特性是,所有元素都会根据元素的键值自动被排序。map 的所有元素都是 pair,同时拥有实值(value)和键值(key)。pair 的第一元素被视为键值,第二元素被视为实值。map不允许两个元素拥有相同的键值。由于
RB-tree 是一种平衡二叉搜索树,自动排序的效果很不错,所以标准的STL map 即以 RB-tree 为底层机制。又由于 map 所开放的各种操作接口,RB-tree 也都提供了,所以几乎所有的 map 操作行为,都只是转调 RB-tree 的操作行为。

multimap 的特性以及用法与 map 完全相同,唯一的差别在于它允许键值重复,因此它的插入操作采用的是底层机制 RB-tree 的 insert_equal() 而非 insert_unique。 

10、hash_set
和 hash_multiset 容器

hash_set 底层数据结构为 hash 表,无序,不重复。

hash_multiset 底层数据结构为 hash 表,无序,不重复。 

11、hash_map 和 hash_multimap 容器

hash_map 底层数据结构为 hash 表,无序,不重复。

hash_multimap 底层数据结构为 hash 表,无序,不重复。 

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