C++标准库 STL -- STL 体系结构基础介绍

Posted 2022-12-01 张三和李四的家

STL 体系结构基础介绍

文章内容为侯捷老师的《C++标准库与泛型编程》的学习笔记

文章目录

• STL 体系结构基础介绍
• • 代码示例
  • 容器分类
  • vector
  • • 关于vector 的动态扩充
  • deque
  • 红黑树
  • • multiset
    • multimap
  • hashTable
  • • unordered_multiset
  • allocator

组成：

1. 容器（constainers）
2. 算法（algorithm）
3. 迭代器（iterators）
4. 仿函数（functors）
5. 适配器（adapters）
6. 分配器（allocators）

容器就是数据结构，容器中放入数据，要占用内存，但是在使用容器的时候，我们只关心如何存取数据，而内存的分配工作，是由分配器(Allocator)在背后帮我们完成的。容器中有了数据后，我们需要对数据进行操作，一些操作需要使用到算法中的操作，数据在容器中，操作数据的动作是在另外一个class 中。这个和OO （面向对象） 是不同的，这种称为GP——泛型编程。

那么如果要使用算法中的方法对容器中的数据进行操作，那么就涉及到如何获取到容器中的数据。所以算法和容器之间的桥梁就是迭代器(Iterator)， 迭代器相当于一种泛化的指针。

仿函数： 实现对象之间的一些操作：比如定义对象之间的加减操作。（后面应该会详细介绍）

适配器： 实现转换功能，例如，将容器做一些转换，迭代器做一些转换(后面应该会详细讲)

代码示例

一个将六大部件一起使用的代码示例

容器要放东西，东西要占用内存。所以容器非常好的是帮我们把内存的问题全部解决掉。你看不到内存这件事情。你只要把东西一点一点的放进入，或者把它取出来就可以，不需要考虑内存的问题。所以它的背后要有另外一个部件去支持它，那就是分配器。

需要对容器内的数据进行操作，这部分操作放置在算法中。

迭代器处于容器和算法之间，起到桥梁的作用，它是一种泛化的指针。

容器的范围是一种 前闭后开。[ )

Container<T> c;
Container<T>::interator ite = c.begin();
for(; ite != c.end(); == ite)

容器分类

序列式容器和关联式容器（key-value组合）。

连续内存空间的容器

• Array ：固定元素数量的容器
• Vector： 两倍扩充的容器
• Deque： 可以进行两端插入的容器

非连续内存空间的容器

• List： 双向链表，不是连续内存空间的容器。
• Forward-list: 单项链表，

hash-table 就是一个vector+list

其中vector中的每一个元素都相当于一个篮子，而篮子中可以存放数据，这些数据是链表的方式存放的。

元素和元素之间是什么样的关系， 是连续的关系，还是通过指针将它们串联起来。串联起来后是一个链表，还是一棵树，是一个红黑树还是一个二叉树。还是一个HashTable

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vector

vector 是表示可以改变大小的数组的序列容器。

就像数组一样，vector 使用连续空间的存储位置，它们的元素可以使用元素的常规指针来进行偏移访问，而且和数组一样高效。但是和数组不同，它们的大小可以动态地改变，它们的存储由容器自动处理。

针对vector的各种常见操作的复杂度如下：

• 随机访问— 常数（O1）
• 在尾部增删元素—常数（O1）
• 增删元素—目标位置到vector尾部之间的线性距离 O（n）

举个例子，Class Foo; vector<Foo> v， v 中已插入100万个元素，如果要在头部再插入一个元素，那么，就会发生100万次的析构函数和100万次的拷贝构造或move构造函数。所以在容器Vector 开头插入一个元素是非常低效的。

一个容器大小固定后就不能再扩充，再扩充就有可能扩充到其它人的地方去了。vector 的扩充也是重新找一份内存空间，在将vector 原先的数据拷贝过去。

关于vector 的动态扩充

在MinGW编译器下，vector 是2倍的。而在MSVC 下却是1.5倍的成长。

动态改变大小的方式是，重新从系统内存空间找一份两倍于当前容器大小的内存空间。然后将原先内存空间的数据拷贝到新的内存空间中，并且还会释放原先内存空间的数据。这就无法避免的产生析构函数和拷贝构造函数或移动构造函数。

deque

deque 是一个双向开口可进可出的一个容器。

deque 是分段连续。假如deque<int> d， 有三段buff，在查找数据时，当一个buff 遍历完后，会去到下一个buff遍历。

上图一个个的方块就是一个个的buff，当buff 用完后就会申请新的buff。

stack 和 queue 的底层实现都有一个deque。（具体实现见P2）

红黑树

红黑树是平衡二分搜寻树中常被使用的一种。平衡二分搜寻树的特征：排列规则有利于 Search 和 insert，并保持适度平衡——无任何节点过深。

rb_tree 提供两种 insertion操作：insert_unique 和 insert_equal。前者表示节点的key 一定是在整个tree 中独一无二，否则安插失败。后者表示节点的key 可重复。独一无二的key 对应的就是 set 和 map，可以重复的key 对应的就是 multiSet 和 multiMap。

multiset

multiset<string> set;
c.insert(string(buf));

创建一个 multiset 以及 向容器中添加数据。

multimap

multimap<long , string> map;

要在map 中添加一个数据，使用

map.insert(pair<long, string>(1, "1"));

pair 的作用是将 long 和 string 打包成一个整体放入map 中。

要将key 和 value 打包成为一个 pair 放入map 中。

hashTable

容器有多个篮子（bucket）组成，每个篮子下挂着一串数据（是单项链表或双向链表，取决于编译器的实现方式）。

unordered_multiset

unordered_multiset<string> c;
c.insert(string(buf));
//插入 1000000 元素后

cout << " unordered_multiset.size()  " << c.size() << endl;//1000000
	cout << " unordered_multiset.bucket_count()  " << c.bucket_count() << endl;//1048576

出现了篮子的数量大于 元素的数量，因为某些篮子上没有挂载元素。有些篮子上则会挂载1个或多个的元素。

可以通过 c.bucket_size(i) 来查看指定篮子中的元素个数。

篮子的数量都比元素的数量多，如果一个篮子中的元素过长，会影响全局的查找。查找是按照循序查找的方式。如果篮子元素的数量大于等于篮子的数量，则这个篮子的元素会被打散，重新挂在不同的篮子下面。

allocator

分配器是一个类，提供两个函数用于内存申请和释放。

allocator<int> alloc1;
int * p = alloc1.allocate(1);
//int * std::allocator<int>::allocate(size_ count);  
// _Ty * allocate( const size_t _Count)
alloc1.deallocate(p, 1);
//void std::allocator<int>::deallocate(int* _ptr, size_t Count); 
//void deallocate(_Ty * const _Ptr, const size_t _Count) ===》 底层调用的是 ::operator delete(_Ptr, _Bytes);