STL - STL容器的适用情况

Posted 2020-07-21 勿在浮沙筑高台

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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 - STL容器的适用情况相关的知识，希望对你有一定的参考价值。

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一．各种容器的特性

vector	典型的序列容器，C++标准严格要求次容器的实现内存必须是连续的，唯一可以和标准C兼容的stl容器，任意元素的读取、修改具有常数时间复杂度，在序列尾部进行插入、删除是常数时间复杂度，但在序列的头部插入、删除的时间复杂度是O(n)，可以在任何位置插入新元素，有随机访问功能，插入删除操作需要考虑。
deque	序列容器，内存也是连续的，和vector相似，区别在于在序列的头部插入和删除操作也是常数时间复杂度, 可以在任何位置插入新元素，有随机访问功能。
list	序列容器，内存是不连续的，任意元素的访问、修改时间复杂度是O(n)，插入、删除操作是常数时间复杂度, 可以在任何位置插入新元素。
set	关联容器，元素不允许有重复，数据被组织成一棵红黑树，查找的速度非常快，时间复杂度是O(logN)
multiset	关联容器，和set一样，却别是允许有重复的元素，具备时间复杂度O(logN)查找功能。
map	关联容器，按照{键，值}方式组成集合，按照键组织成一棵红黑树，查找的时间复杂度O(logN)，其中键不允许重复。
multimap	和map一样，区别是键可以重复

二．容器的一种分类

连续内存的容器：这种类型容器包含vector、deque。特点是在一块连续的内存块上存放数据，所以有数据插入和删除的时候，如果不是在序列的或者两端那么花费的代价是非常大的，因为需要保证连续内存，同时给新元素腾出空间或者填充删除元素的空间，如果存储的是复杂结构的话就要花费大量的时间进行拷贝操作（可以存储复杂结构的指针来弥补这个缺陷，这个讨论在另个总结中进行）。

基于节点的容器：这类容器是剩余的几个list、set、multiset、map、multimap.这类容器中的数据是分别存储在不同的内存块中，可能连续也可能不连续（一般不认为是连续的），这样的容器在插入删除元素的时候修改的只是节点的指针，这样的消耗是非常小的。

三． 使用中需要考虑的一些因素

在使用的过程中，需要考虑的问题有元素顺序、标准的一致性、迭代器能力、内存布局和C的兼容性、查找速度这些，考虑了这些问题你选择的容器应该会非常适合你当前的情景。

1. 需要大量添加新元素：

vector在大量添加元素的时候问题最大，因为他的一种最常见的内存分配实现方法是当前的容量(capacity)不足就申请一块当前容量2倍的新内存空间，然后将所有的老元素全部拷贝到新内存中，添加大量元素的时候的花费的惊人的大。如果由于其他因素必须使用vector，并且还需要大量添加新元素，那么可以使用成员函数reserve来事先分配内存，这样可以减少很多不必要的消耗。

list对这种情况的适应能力就非常好，都是常数时间的插入消耗。deque前面说过了，他是vector和list的折衷形式，内存不够了就申请一块新的内存，但并不拷贝老的元素。

2. 查找速度：

这个因素主要取决于算法，而算法最终是作用在容器中元素上的，所以这里的查找速度指的是容器能够达到的最好查找效率。

对于序列容器需要分两种情况，区分依据是元素是否排序，1)对于已经排序的序列容器，使用binary_search、lower_bound、upper_bound、equal_range可以获得对数时间复杂度的查找速度(O(logN));2)而未排序的序列容器二分查找肯定是用不了，能达到的最好的时间复杂度是线性的(O(n))。

对于关联容器，存储的时候存储的是一棵红黑树(一种更为严格的平衡二叉树,文档最后有介绍)，总是能达到对数时间复杂度(O(logN))的效率，因为关联容器是按照键值排好序的。

3. 是否是连续内存：

连续内存的容器有个明显的缺点，就是有新元素插入或老元素删除的时候，为了给新元素腾出位置或者填充老元素的空缺，同一块内存中的其他数据需要进行整体的移位，这种移位的拷贝代价有时是非常巨大的。标准容器中的vector、deque是连续内存的，其中vector是完全连续内存，而deque是vector和list的折衷实现，是多个内存块组成的，每个块中存放的元素连续内存，而内存块又像链表一样连接起来。

所以需要考虑在操作的过程中是否有在任意位置插入元素的需求，有这种需求的话尽量避免使用连续内存的vector、deque

4. 元素的排序：

序列容器中的元素不会自动排序，程序员插入什么顺序内存中就是什么顺序，而关联容器不是这样的，他会以自己的键值按照某种等价关系(equivalence)进行排序。所以默认情况下序列容器中的元素是无序的，而关联容器中的元素是有序的。

所以容器在遍历元素的时候序列容器输出的顺序和插入的顺序式一致的，关联容器就不一定了。下面给出两个例子：

输出结果如下：

通过例子看到序列容器vector遍历的顺序和插入的顺序是一样的，而关联容器set把插入的元素按照某种顺序重新组织了，所以选择容器的时候如果很在意插入顺序的话就选择序列容器。

5. 内存是否和C兼容：

适合的容器只有一个vector，意思就是如果需要把容器中的数据放到C类型的数组中那么不需要做多余复杂的操作，如果有vector<int> v，只需要直接使用&v[0]就可以得到v中第一个元素的指针，因为vector和C数组的内存布局是一样的，这个要求同时也是标准C++委员会制定的标准。所以能保证有这样特性的容器只有vector，那么vector以外的其他STL容器中的数据如果需要变换成C数组形式，或者C数组放到其他类型容器中，可以把vector作为一个桥梁，下面给个例子：

//假设函数void read(const int* pInt, unsigned int num);

//从pInt指针位置开始读取num个int型数据

std::set<int> mSet;

... //省略给mSet插入元素的操作

std::vector<int> mVector(mSet.begin(), mSet.end());

if (!mVector.empty())

read(&mVector[0], mVector.size());

四．各种容器的优缺点：

用哪种容器的选择看起来非常繁琐，头脑中如果有个每个容器大概的模型，在选择的时候会更为轻松点。

1. Vector的数据模型就是数组。

优点：内存和C完全兼容、高效随机访问、节省空间

缺点：内部插入删除元素代价巨大、动态大小查过自身容量需要申请大量内存做大量拷贝。