STL六大组件与底层原理

Posted 2022-12-14 白龙码~

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篇首语：本文由小常识网(cha138.com)小编为大家整理，主要介绍了STL六大组件与底层原理相关的知识，希望对你有一定的参考价值。

文章目录

标准模板库STL
容器
空间配置器

标准模板库STL

STL，即标准模板库(Standard Template Library)，是一些常用数据结构和算法模板的集合，主要由6大组成部分组成。

容器(Container)

是一种数据结构，如list, vector, 和deques，以模板类的方法提供。为了访问容器中的数据，可以使用由容器类输出的迭代器。
算法（Algorithm）

是用来操作容器中的数据的模板函数。例如，STL用sort()来对一个vector中的数据进行排序，用find()来搜索一个list中的对象，函数本身与他们操作的数据的结构和类型无关，因此他们可以用于从简单数组到高度复杂容器的任何数据结构上。
迭代器（Iterator）

提供了访问容器中对象的方法。例如，可以使用一对迭代器指定list或vector中的一定范围的对象。迭代器就如同一个指针。事实上，C++ 的指针也是一种迭代器。但是，迭代器也可以是那些定义了operator*()以及其他类似于指针的操作符方法的类对象;
仿函数（Function object）

仿函数又称之为函数对象，本质就是重载了operator()的类。
适配器（Adaptor）

简单的说就是一种接口类，专门用来修改现有类的接口，提供一种新的接口，或调用现有的函数来实现所需要的功能。主要包括3中适配器Container Adaptor、Iterator Adaptor、Function Adaptor。
空间配制器（Allocator）

为STL提供空间配置的系统。其主要工作包括两部分：
- 对象的创建与销毁；
- 内存的获取与释放。

容器

1、顺序容器

I. vector

数据结构：动态数组

特点：

元素在内存中连续存储，支持随机访问，且访问效率较高。
尾插速度快，但是头插和中间插入非常耗时，为O(n)（删除同理）。

resize和reserve的区别：

reserve(n)是预留n个元素的空间，如果n大于当前的capacity，则开辟一块更大的空间以容纳至少n个元素。但是，对于多出来的这些空间，reserve不会对他们进行初始化，对这些区域的访问是非法的。
resize(n,val)修改的是容器当前的size。如果n<size，则将容器当前的size缩小至n，多余元素被释放；如果n>size，则向容器中添加值为val的新元素，直到size为n，对这些元素的访问时合法的。

II. list

数据结构：双向链表

特点：

非连续存储，不支持随机访问。
在任意位置的增删查改都是O(1)的效率。

III. deque

数据结构：双端队列(Double End Queue)

deque的中控器存储每个内存块的指针，每个内存块的cur记录当前数据的位置，first和last记录内存块的起始和末尾。

特点：

支持随机访问，但由于不是顺序存储，所以性能较vector差一些。
支持头尾的快速插入删除，但是中间的插入删除性能较差。

2、关联容器

I.map/set

数据结构：红黑树

特点：

map存储键值对，set存储键。
增删查改效率为log(n)。
节点根据键值进行按序存储。
不允许相同的键值出现。
**map重载了operator[]**用于获取键对应的值。
键不可修改，但是键值可以修改。

II.multimap/multiset

数据结构：红黑树

特点：

multimap存储键值对，multiset存储键。
增删查改效率为log(n)。
节点根据键值进行按序存储。
允许相同的键值出现，但不保证它们之间的相对顺序。
multimap没有重载operator[]，因为键允许重复。
键不可修改，但是键值可以修改。

III. unordered_map/unordered_set

数据结构：哈希表

特点：

unordered_map存储键值对，unordered_set存储键。
增删查改的平均时间复杂度为O(1)。
键值的存储是无序的。
键必须是唯一的，不允许重复。
unordered_map重载了operator[]用于获取键对应的值。

3、容器适配器

I. stack

数据结构：栈，默认封装deque的接口，封装容器可根据传入的模板参数改变

特点：

后进先出
只允许从栈顶增删查数据。

II. queue

数据结构：队列，默认封装deque的接口，封装容器可根据传入的模板参数改变

特点：

先进先出
只允许从队头删查数据，队尾增数据。

III. priority_queue

数据结构：堆，默认封装vector的接口，封装容器可根据传入的模板参数改变

特点：

最值存储在堆顶。
只允许从堆顶增删查数据，不允许改数据。

容器迭代器失效问题

对于顺序容器，如vector，删除前面的元素会导致后面元素的迭代器失效，但是可以通过erase获取到被删除元素的下一个元素的新迭代器。此外，增加元素可能会导致整个容器的扩容，从而使所有迭代器都失效。

对于list，由于是非顺序存储，因此增删一个节点不会使其他节点的迭代器失效。

对于deque，如果增加元素导致扩充，则会引起所有迭代器失效，因为迭代其内部有指向中控器的指针。其他情况下，对于头尾的插入删除，不会引起迭代器失效，但是对于中间元素的插入删除，会引起对应位置前或后的元素移动，具体哪些迭代器会失效根据当时的内存分布而定。
对于关联容器，如map/set/multimap/multiset，底层使用红黑树，是非顺序存储，所以增删一个节点不会使其它迭代器失效。但是它们的erase不会返回下一个节点的迭代器。

但是对于unordered_map/unordered_set，底层使用哈希表，增加节点可能会导致整个表的重映射，从而导致所有迭代器失效。