C++面试八股文快问快答のSTL篇

Posted 2022-01-28 谁吃薄荷糖

STL篇

vector的底层原理（此题本人踩坑，需重视）

vector底层是一个动态数组，包含三个迭代器，start和finish之间是已经被使用的空间范围，end_of_storage是整块连续空间包括备用空间的尾部。

当空间不够装下数据（vec.push_back(val)）时，会自动申请另一片更大的空间（1.5倍或者2倍），然后把原来的数据拷贝到新的内存空间，接着释放原来的那片空间[vector内存增长机制]。

当释放或者删除（vec.clear()）里面的数据时，其存储空间不释放，仅仅是清空了里面的数据。因此，对vector的任何操作一旦引起了空间的重新配置，指向原vector的所有迭代器会都失效了。

vector中的reserve和resize的区别

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），就可以提高效率，其次还可以减少多次要拷贝数据的问题。reserve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。reserve()只有一个参数。
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。resize()可以有多个参数。

vector中的size和capacity的区别

size表示当前vector中有多少个元素（finish - start）;
capacity函数则表示它已经分配的内存中可以容纳多少元素（end_of_storage - start）;

vector中erase方法与algorithn中的remove方法区别

vector中erase方法真正删除了元素，迭代器不能访问了
remove只是简单地将元素移到了容器的最后面，迭代器还是可以访问到。因为algorithm通过迭代器进行操作，不知道容器的内部结构，所以无法进行真正的删除。

vector迭代器失效的情况

当插入一个元素到vector中，由于引起了内存重新分配，所以指向原内存的迭代器全部失效。
当删除容器中一个元素后,该迭代器所指向的元素已经被删除，那么也造成迭代器失效。erase方法会返回下一个有效的迭代器，所以当我们要删除某个元素时，需要it=vec.erase(it);

正确释放vector的内存(clear(), swap(), shrink_to_fit())

vec.clear()：清空内容，但是不释放内存。
vector().swap(vec)：清空内容，且释放内存，想得到一个全新的vector。
vec.shrink_to_fit()：请求容器降低其capacity和size匹配。
vec.clear();vec.shrink_to_fit();：清空内容，且释放内存。

vector的内存是分配在栈上还是堆上？（此题比较刁钻，有陷阱，需要分具体情况回答，本人踩过坑）

需要分情况来回答，如下：

std::vector<T> vec;
std::vector<T>* Vec = new std::vector<T>();
std::vector<T*> vec;

对于std::vector<T> vec;

vec在栈上（stack），而其中的元素T保存在堆上（heap）；

对于std::vector<T>* Vec = new std::vector<T>();

vec和其中的元素T都保存在堆上；

对于std::vector<T*> vec;

vec在栈上（stack），而其中的元素T保存在堆上（heap）；和第一种情况类似。

list的底层原理

ist的底层是一个双向链表，使用链表存储数据，并不会将它们存储到一整块连续的内存空间中。恰恰相反，各元素占用的存储空间（又称为节点）是独立的、分散的，它们之间的线性关系通过指针来维持,每次插入或删除一个元素，就配置或释放一个元素空间。
list不支持随机存取，如果需要大量的插入和删除，而不关心随即存取。

什么情况下用vector，什么情况下用list，什么情况下用deque

vector可以随机存储元素（即可以通过公式直接计算出元素地址，而不需要挨个查找），但在非尾部插入删除数据时，效率很低，适合对象简单，对象数量变化不大，随机访问频繁。除非必要，我们尽可能选择使用vector而非deque，因为deque的迭代器比vector迭代器复杂很多。
list不支持随机存储，适用于对象大，对象数量变化频繁，插入和删除频繁，比如写多读少的场景。
需要从首尾两端进行插入或删除操作的时候需要选择deque。

priority_queue的底层原理

priority_queue：优先队列，其底层是用堆来实现的。在优先队列中，队首元素一定是当前队列中优先级最高的那一个。

map 、set、multiset、multimap的底层原理

map 、set、multiset、multimap的底层实现都是红黑树，epoll模型的底层数据结构也是红黑树，linux系统中CFS进程调度算法，也用到红黑树。

红黑树的特性：

每个结点或是红色或是黑色；
根结点是黑色；
每个叶结点是黑的；
如果一个结点是红的，则它的两个儿子均是黑色；
每个结点到其子孙结点的所有路径上包含相同数目的黑色结点。

为何map和set的插入删除效率比其他序列容器高

因为不需要内存拷贝和内存移动

为何map和set每次Insert之后，以前保存的iterator不会失效？

因为插入操作只是结点指针换来换去，结点内存没有改变。而iterator就像指向结点的指针，内存没变，指向内存的指针也不会变。

当数据元素增多时（从10000到20000），map的set的查找速度会怎样变化？

RB-TREE用二分查找法，时间复杂度为logn，所以从10000增到20000时，查找次数从log10000=14次到log20000=15次，多了1次而已。

map 、set、multiset、multimap的特点

set和multiset会根据特定的排序准则自动将元素排序，set中元素不允许重复，multiset可以重复。
map和multimap将key和value组成的pair作为元素，根据key的排序准则自动将元素排序（因为红黑树也是二叉搜索树，所以map默认是按key排序的），map中元素的key不允许重复，multimap可以重复。
map和set的增删改查速度为都是logn，是比较高效的。

为何map和set的插入删除效率比其他序列容器高，而且每次insert之后，以前保存的iterator不会失效？

存储的是结点，不需要内存拷贝和内存移动。
插入操作只是结点指针换来换去，结点内存没有改变。而iterator就像指向结点的指针，内存没变，指向内存的指针也不会变。

为何map和set不能像vector一样有个reserve函数来预分配数据?

在map和set内部存储的已经不是元素本身了，而是包含元素的结点。也就是说map内部使用的Alloc并不是map<Key, Data, Compare, Alloc>声明的时候从参数中传入的Alloc。

set的底层实现实现为什么不用哈希表而使用红黑树？

set中元素是经过排序的，红黑树也是有序的，哈希是无序的
如果只是单纯的查找元素的话，那么肯定要选哈希表了，因为哈希表在的最好查找时间复杂度为O(1)，并且如果用到set中那么查找时间复杂度的一直是O（1），因为set中是不允许有元素重复的。而红黑树的查找时间复杂度为O(lgn)

hash_map与map的区别？什么时候用hash_map，什么时候用map？

构造函数：hash_map需要hash function和等于函数，而map需要比较函数（大于或小于）。
存储结构：hash_map以hashtable为底层，而map以RB-TREE为底层。
总的说来，hash_map查找速度比map快，而且查找速度基本和数据量大小无关，属于常数级别。而map的查找速度是logn级别。但不一定常数就比log小，而且hash_map还有hash function耗时。
如果考虑效率，特别当元素达到一定数量级时，用hash_map。
考虑内存，或者元素数量较少时，用map。

迭代器失效的问题

插入操作：

对于vector和string，如果容器内存被重新分配，iterators,pointers,references失效；如果没有重新分配，那么插入点之前的iterator有效，插入点之后的iterator失效；
对于deque，如果插入点位于除front和back的其它位置，iterators,pointers,references失效；当我们插入元素到front和back时，deque的迭代器失效，但reference和pointers有效；
对于list和forward_list，所有的iterator,pointer和refercnce有效。 删除操作：
对于vector和string，删除点之前的iterators,pointers,references有效；off-the-end迭代器总是失效的；
对于deque，如果删除点位于除front和back的其它位置，iterators,pointers,references失效；当我们插入元素到front和back时，off-the-end失效，其他的iterators,pointers,references有效；
对于list和forward_list，所有的iterator,pointer和refercnce有效。
对于关联容器map来说，如果某一个元素已经被删除，那么其对应的迭代器就失效了，不应该再被使用，否则会导致程序无定义的行为。

STL线程不安全的情况

在对同一个容器进行多线程的读写、写操作时；
在每次调用容器的成员函数期间都要锁定该容器；
在每个容器返回的迭代器（例如通过调用begin或end）的生存期之内都要锁定该容器；
在每个在容器上调用的算法执行期间锁定该容器。

正确释放vector的内存(clear(), swap(),shrink_to_fit())

#include<iostream>
#include<vector>
using namespace std;
int main()

    vector<int> v;
    v.push_back(1);
    v.push_back(2);
    v.push_back(3);
    v.push_back(4);
    v.push_back(5);

    cout << "size:" << v.size() << endl;
    cout << "capacity:" << v.capacity() << endl;
    
    v.clear();
    cout << "after clear size:" << v.size() << endl;
    cout << "after clear capacity:" << v.capacity() << endl;
    return 0;

//输出

size:5
capacity:6
after clear size:0
after clear capacity:6

详细请查阅：实战c++中的vector系列–正确释放vector的内存(clear(), swap(), shrink_to_fit())

C++ 清空队列(queue)的几种方法

C++中的queue自身是不支持clear操作的，但是双端队列deque是支持clear操作的。

方法一:直接用空的队列对象赋值

queue<int> q1;
// process
// ...
q1 = queue<int>();

方法二:遍历出队列

while (!Q.empty()) Q.pop();

方法三:使用swap，这种是最高效的，定义clear，保持STL容器的标准。

void clear(queue<int>& q) 
	queue<int> empty;
	swap(empty, q);

引经据典

感谢以下博主的文章，如有遗漏，请联系我添加，谢谢!

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https://blog.csdn.net/weixin_43519366/article/details/118634870

https://blog.csdn.net/qq_31349683/article/details/112390579