从概念上理解容器上的位置访问操作

Posted 2023-02-27

【中文标题】从概念上理解容器上的位置访问操作

【英文标题】：Conceptually understanding positional access operations on containers

【发布时间】：2019-06-13 23:48:18

【问题描述】：

位置访问操作^†在容器上的定义可能看起来像std::vector，@987654322，对我来说似乎很简单@、std::list 和 std::forward_list。也就是说，访问集合中的第k^th元素包括获取存储在位置k^th的元素在集合中^X。

例如，表达式vec[k-1] 访问std::vector 中的k^th，而*std::next(lst.begin(), k-1) 对应于它的std::list 对应项。

然而，当谈到 关联容器 像 std::set 或 std::unordered_set 时，我不太清楚谈论 位置访问操作 是否真的有意义，因为我没有找到一种直接的方法来确定此类容器中任意位置 k^th 的位置。

但是，我们仍然可以像上面显示的 std::list 示例一样继续，即，将迭代器带到关联容器的“第一个”元素（例如，成员函数 begin() 返回的迭代器）和然后将迭代器向前移动 k-1 次（例如，通过std::next()）。

我观察到容器 std::vector、std::deque、std::list 和 std::forward_list 都是使用 linear 数据结构实现的，而 std::set 通常实现为二叉树，不是。所以，这个问题可能与容器实现的底层数据结构的线性有关。

有没有什么方法可以清楚地定义关联容器的位置访问操作的语义？或者这样的访问操作对他们不适用吗？

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^† 不要混淆 search 和 access 操作。在搜索操作中，您正在寻找集合中具有给定键的元素。

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^X 这与执行此操作所需的运行时间无关（例如，std::list 的线性时间而不是std::vector 的恒定时间）或是否没有专用的成员函数（例如，std::list 中缺少下标运算符）来实现这一点。

【参考方案1】：

您提到的容器类别之间的最大区别在于第一个是 sequence 容器，其中容器的用户明确确定放置元素的位置，而后者是 关联容器，其中生成的顺序由元素的某些属性隐式确定，以便可以通过键 (std::map/std::unordered_map)/值 (std::set/std::unordered_set) 有效地访问它们.

这并不意味着在此类容器中通过“位置”进行访问是没有用的 - 因为std::set 保持其元素排序，std::set 中的第 k^th 项是 kth 集合中的最小元素（虽然我确实想不出按位置访问std::unordered_set 的任何目的 - 散列通常不会产生任何特别有用的排序¹）。

除了这个概念上的区别之外，我认为访问std::list 的第 k^th 元素和在 std::set 上执行相同操作之间没有任何大的操作差异 - 在这两种情况下，操作不是容器“本机”支持的（例如，容器不支持 O(1) 随机访问），并且您必须一次遍历一个元素。即使在底层，像std::set 或std::map 通常使用的二叉树也与跟踪链表中的链接（例如std::list）没有太大区别。

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如果std::hash 是一个加密散列，它“白化”了原始数据，它可能是“访问随机排列的某些元素”，但std::hash 只需要很好地分布在类型范围，例如整数 are often hashed as themselves - 不是一个特别有趣的排列。

【参考方案2】：

当你指向一个列表时，可以定义第 k^th 元素，该元素由指向第 k^{th-1 的指针旁边的指针指向的元素。 sup> 元素。}

您还可以注意到，在数论中，数字也被定义为序列： 1 是 0 旁边的数字，2 是 1 旁边的数字，等等……

因此，可以创建由指向容器元素及其下一个操作的指针形成的结构的同构，以及使用 +1 操作的自然数结构：

p0:=begin()                               O
  |next                                   |increment
p1:=next(begin())   --isomorphic to-->    1:=increment(0)
  |next                                   |increment
p2:=next(next(begin()))                   2:=increment(increment(0))
  .                                       .
  .                                       .

这种同构可以用于任何容器，只要它们提供一个开始指针。所以，为了位置的概念，任何 STL 容器都是等价的。

【讨论】：

非常有趣的答案。因此，只要容器为初始元素提供前向迭代器，就可以创建同构。