C++面试题之list和vector的区别

Posted 2023-03-03 草上爬

1.vector数据结构

       vector和动态数组类似，拥有一段连续的内存空间，并且起始地址不变。因此能高效的进行随机存取，时间复杂度为o(1);但因为内存空间是连续的，所以在进行插入和删除操作时，会造成内存块的拷贝，时间复杂度为o(n)。

2.list数据结构

       list是由双向链表实现的，因此内存空间是不连续的。只能通过指针访问数据，所以list的随机存取非常没有效率，时间复杂度为o(n);但由于链表的特点，能高效地进行插入和删除。

       已知元素是连续存储的，当我们在容器内添加一个元素时，想想会发生什么事情：

       如果容器中已经没有空间容纳新的元素，此时，由于元素必须连续存储以便索引访问，所以不能在内存中随便找个地方存储这个新元素。于是，vector 必须重新分配存储空间，用来存放原来的元素以及新添加的元素：存放在旧存储空间中的元素被复制到新存储空间里，接着插入新元素，最后撤销旧的存储空间。如果 vector 容器在在每次添加新元素时，都要这么分配和撤销内存空间，其性能将会非常慢，简直无法接受。

       对于不连续存储元素的容器，不存在这样的内存分配问题。例如，在 list 容器中添加一个元素，标准库只需创建一个新元素，然后将该新元素连接在已存在的链表中，不需要重新分配存储空间，也不必复制任何已存在的元素。

       由此可以推论：一般而言，使用 list 容器优于 vector 容器。但是，通常出现的反而是以下情况：对于大部分应用，使用 vector 容器是最好的。原因在于，标准库的实现者使用这样内存分配策略：以最小的代价连续存储元素。由此而带来的访问元素的便利弥补了其存储代价。

       为了使 vector 容器实现快速的内存分配，其实际分配的容量要比当前所需的空间多一些。vector 容器预留了这些额外的存储区，用于存放新添加的元素。于是，不必为每个新元素重新分配容器。所分配的额外内存容量的确切数目因库的实现不同而不同。比起每添加一个新元素就必须重新分配一次容器，这个分配策略带来显著的效率。事实上，其性能非常好，因此在实际应用中，比起 list 和deque 容器，vector 的增长效率通常会更高。

下面列举了一些选择容器类型的法则：

1. 如果程序要求随机访问元素，则应使用 vector 或 deque 容器。
2. 如果程序必须在容器的中间位置插入或删除元素，则应采用 list 容器。
3. 如果程序不是在容器的中间位置，而是在容器首部或尾部插入或删除元素，则应采用 deque 容器。

4. 如果只需在读取输入时在容器的中间位置插入元素，然后需要随机访问元素，则可考虑在输入时将元素读入到一个 list 容器，接着对此容器重新排序，使其适合顺序访问，然后将排序后的 list 容器复制到一个 vector容器。

       如果程序既需要随机访问又必须在容器的中间位置插入或删除元素，那应该怎么办呢？

       此时，选择何种容器取决于下面两种操作付出的相对代价：随机访问 list 容器元素的代价，以及在 vector 或 deque 容器中插入／删除元素时复制元素的代价。通常来说，应用中占优势的操作（程序中更多使用的是访问操作还是插入／删除操作）将决定应该什么类型的容器。

       决定使用哪种容器可能要求剖析各种容器类型完成应用所要求的各类操作的性能。

       如果无法确定某种应用应该采用哪种容器，则编写代码时尝试只使用 vector 和 lists 容器都提供的操作：使用迭代器，而不是下标，并且避免随机访问元素。这样编写，在必要时，可很方便地将程序从使用 vector 容器修改为使用 list 的容器。