C++系列-STL标准库

STL组成

  • 容器
  • 配接器
  • 算法
  • 迭代器
  • 仿函数
  • 空间配置器

主要讲解容器和算法，不讲解其他的

容器分类

  • 序列式容器:vector list deque stack queue heap priority_quue slist (queue和stack是配接器)
  • 关联式容器:set map multiset multimap hash_set hash_map hash_multiset hash_multimap

vector

  • 连续空间
  • vector 动态空间
  • array 静态空间
  • 动态空间是以原大小的两倍进行扩充，重新分配时，迭代器会失效

主要操作有push_back pop_back erase clear insert size empty

初始化

#include <vector>

int main(){
    // size=0的vector
    vector<int> a;
    // 初始化size，但元素为默认值
    vector<int> b(10);
    // 初始化size并设置默认值
    vector<int> b(10,2);
}

list

  • 非连续空间
  • STL的list是一个环状双向链表
  • 插入和删除操作都不会造成原迭代器失效

主要操作有:push_front push_back erase pop_front pop_back clear remove unique splice merge reverse sort size empty

内部定义了一个transfer函数，为splice sort merge等操作提供基础。功能是将连续范围内的元素迁移到某个特定位置之前

deque

  • 双向开口的连续空间
  • 两端插入和删除操作都是\(O(1)\)
  • 分段连续空间组合而成，避免了重新配置、复制、释放的轮回
  • 对deque的排序只能复制到一个vector 然后根据sort算法，再复制回deque

原理

  • 用一个小块连续空间作为主控
  • 每个元素都是指针，指向另一个大的连续线性空间，称为缓冲区
  • 缓冲区才是deque存储空间的主题

deque中控器、缓冲区、迭代器的相互关系

主要操作有:push_front push_back pop_front pop_back clear erase insert size empty

stack

  • 先进后出的结构，只有一个出口
  • STL使用deque作为底层源码进行实现
  • 没有迭代器
  • 也有使用它list作为底层源码进行实现

主要操作有:empty size back push_back pop_back

queue

  • 先进先出结构，有两个出口
  • STL以deque作为底层源码进行实现
  • 没有迭代器
  • 也有使用list作为底层源码进行实现

主要操作有:empty size front back push pop

heap

  • 不归属于STL容器组件，但是是priority_queue的底层实现
  • 二叉堆是一个完全二叉树，除叶节点外，都是填满的，且叶节点左右不得有空隙
  • 可以使用array存储所有节点
  • 某个节点位于i处时，左子节点位于2i处，右子节点位于2i+1处，父节点在i/2处
  • 分为最大堆和最小堆
  • STL提供的是最大堆
  • heap不提供遍历功能，也不提供迭代器

原理

  • push操作：先插入到vector尾部,然后进行上溯：新节点与父节点比较，如果比父节点大，父子调换位置
  • pop操作: 取走根节点后，把最下层最右边节点进行下溯:空间节点与较大子节点调换位置，直到叶节点为止

priority_queue

  • 优先队列，根据权值进行排序，默认情况是一个最大堆
  • 以heap为源码作为底层实现
  • 没有迭代器

主要操作有:size empty top push

slist

  • 双向列表
  • 不在标准规格之内，有些STL不提供
  • 与list相比没有回溯节点的操作
  • 提供了insert_after和erase_after两个操作

红黑树

  • 是容器，但是不开放使用，是map set的底层实现
  • 时间复杂度是\(log_2n\)
  • 是个二叉搜索树，同时满足下列规则
  • 1.每个节点不是红色就是黑色
  • 2.根节点是黑色
  • 3.如果节点为红色，子节点必须是黑色
  • 4.任一节点至NULL的任何路径，所含之黑节点数必须相同

根据规则4，新增节点必须是红色，根据规则3，新增节点的父节点必须是黑色，如果不满足，必须调整红黑树

主要提供:insert_unique insert_equal和find三个方法。insert_unique不允许重复，insert_equal每次插入都会成功，find遵循二叉搜索树的性质(左 < 根 < 右)

set

  • 所有元素的键值都会自动被排序
  • 不允许有两个相同的键值
  • 不允许修改set的键值
  • 新增或删除时，迭代器不会失效
  • 以红黑树作为底层实现
  • 拥有交、并、差集合运算

主要提供的操作有:insert erase size clear find empty

map

  • 元素会根据键值进行自动排序
  • 所有元素都是pair
  • 不允许有两个相同的键
  • 不可以修改键，可以修改值
  • 新增和删除操作，迭代器不会失效

主要提供的操作有：insert erase size empty clear find 下标操作

multiset

  • 和set完全相同，唯一差别在于允许键值重复

multimap

  • 和map完全相同，唯一差别在于允许键值重复

hashtable

  • 常数平均时间的复杂度
  • 需要用散列函数将一个元素映射为一个大小可接受的索引
  • 如果映射索引有冲突，需要通过一些列办法解决冲突，如线性探测，二次探测，开链等做法
  • hashtable采用开链方法解决冲突

线性探测

有冲突，直接循环往下一一寻找，直到一个可用的空间为止；删除时采用惰性删除，实际删除需要重新整理时再进行

问题：平均插入成本的成长幅度，远高于负载系数的成长幅度（主集团现象）

二次探测

主要用来解决主集团问题；如果有冲突，尝试\(H+1^2,H+2^2,H+3^2,...,H+i^2\)

如果表格大小为质数，且永远保持负载系数在0.5以下(超过0.5重新整理)，每次插入不超过2次探测

问题：计算出来的位置相同，则插入的位置也相同，会造成浪费（次集团现象）

解决办法有：复式散列等

开链

每个表格元素维护一个list，冲突时，在list上插入、搜寻等操作

hash_set

  • 以hashtable为底层实现机制
  • 没有自动排序的功能
  • 使用和性质与set完全一样

hash_multiset

  • 与multiset完全一样，没有排序功能

hash_map

  • 以hashtable为底层实现机制
  • 没有自动排序功能
  • 使用性质和map完全一样

hash_multimap

  • 与multimap完全一样，没有排序功能

算法

包含的一些主要算法有: binary_search copy find find_if find_first_of max max_element lower_bound min min_element reverse rotate search search_n set_difference set_intersection set_union sort stable_sort swap upper_bound make_heap pop_heap push_heap sort_heap

算法的操作一般都是迭代器

参考文献

STL源码剖析

posted @ 2021-02-22 15:09  xnzone  阅读(162)  评论(0)    收藏  举报