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STL剖析

news 来源：原创 2025/8/28 12:42:04

1. vector

是一个封装了动态大小数组的顺序容器；数组内容器严格按照线性顺序排序，支持随机访问，因此提供随机访问指针，例如vector::iterator ivite; 并且为了降低空间配置得速度成本，vector实际分配大小要比需求大一点。size()表示目前实际存储的大小，capacity()表示分配的空间大小，是要大于size的，start表示起始地址，finish表示最后一个数据地址，end_of_storage表示分配的最后地址。

扩容：如果容量不足，容量会扩充至二倍，如果依旧不足，那就直接扩充到足够大的容量。
在这里插入图片描述

构造函数：

vector():创建一个空vector
vector(int nSize):创建一个vector,元素个数为nSize
vector(int nSize,const t& t):创建一个vector，元素个数为nSize,且值均为t
vector(const vector&):复制构造函数
vector(begin,end):复制[begin,end)区间内另一个数组的元素到vector中

增加元素：

void push_back(const T& x):向量尾部增加一个元素X
void emplace_back(const T&x):向量尾部增加一个元素X，与push_back不同，后者会先构造一个临时对象，然后将其复制或移动到容器中，而emplace是直接在容器尾部调用构造函数构造对象，避免临时对象的创建和拷贝或移动。

删除函数：

iterator erase(iterator it):删除向量中迭代器指向元素
iterator erase(iterator first,iterator last):删除向量中[first,last)中元素
void pop_back():删除向量中最后一个元素
void clear():清空向量中所有元素

遍历函数：

reference at(int pos):返回pos位置元素的引用
reference front():返回首元素的引用
reference back():返回尾元素的引用
iterator begin():返回向量头指针，指向第一个元素
iterator end():返回向量尾指针，指向向量最后一个元素的下一个位置

其他函数：

bool empty() const:判断向量是否为空，若为空，则向量中无元素
int size() const:返回向量中元素的个数
void swap(vector&):交换两个同类型向量的数据
void insert():指定位置插入元素，多种重载版本

vector_insert_1 vector_insert_2

对于insert函数，插入点后元素个数和要插入的元素个数不同，插入的算法也不相同，很神奇，研究了半天为什么这么做，其实主要就是考虑到finish后面的未初始化内存不能被copybackward函数操作，因此只能使用uninitialized_copy函数先处理这部分，先覆盖掉已经分配但未初始化的内存，但这个复制操作需要消耗性能，因此要尽可能少用。因此对于插入点后元素大于新增元素时，所以只能最后n个数据复制到finish位置后面去，虽然消耗性能，但没办法，剩下一点（前面的数据），就利用copybackward函数移动就好，最后再把新数据插入到指定位置；

但对于插入点后元素数量小于新增元素个数，说明要把最后的元素都移动到finish后面的未初始化内存中去，copybackward函数就办不到了，只能利用uninitialized_copy复制到最后去，在给指定位置填充新增元素，但要注意，uninitialized_fill_n函数性能比fill函数好，但前者只能处理未初始化内存，因此先用uninitialized_fill_n函数填充finsh后的多余未初始化内存区域（图中第一步），最后对于需要覆盖的内存（最后一步），再用fill，充分考虑性能问题。

2. list

其中 <list> 是一个非常重要的容器类，用于存储元素集合，支持双向迭代器。<list> 是 C++ 标准模板库（STL）中的一个序列容器，它允许在容器的任意位置快速插入和删除元素。与数组或向量（<vector>）不同，<list> 不需要在创建时指定大小，并且可以在任何位置添加或删除元素，而不需要重新分配内存。可以理解为一个双向链表，分散存储在内存空间里，而不是必须存储在一整块连续的内存空间中。list基于双向链表的结构，他所以可以在序列已知的任何位置快速插入或删除元素（时间复杂度为O(1)）。并且在 list 容器中移动元素，也比其它容器的效率高。但是不支持随机访问。因此list提供的是双向迭代器。

相比于vector，list迭代器不会因为insert而失效，只会在erase操作时，对应的一个迭代器会失效。而vector存在严重的迭代器失效场景

迭代器：

begin() 返回指向容器中第一个元素的双向迭代器。
end() 返回指向容器中最后一个元素所在位置的下一个位置的双向迭代器。
rbegin() 返回指向最后一个元素的反向双向迭代器。
rend() 返回指向第一个元素所在位置前一个位置的反向双向迭代器。
cbegin() 和 begin() 功能相同，只不过在其基础上，增加了 const 属性，不能用于修改元素。
cend() 和 end() 功能相同，只不过在其基础上，增加了 const 属性，不能用于修改元素。
crbegin() 和 rbegin() 功能相同，只不过在其基础上，增加了 const 属性，不能用于修改元素。
crend() 和 rend() 功能相同，只不过在其基础上，增加了 const 属性，不能用于修改元素。
empty() 判断容器中是否有元素，若无元素，则返回 true；反之，返回 false。
size() 返回当前容器实际包含的元素个数。
max_size() 返回容器所能包含元素个数的最大值。这通常是一个很大的值，一般是 232-1，所以我们很少会用到这个函数。

访问：

front() 返回第一个元素的引用。
back() 返回最后一个元素的引用。
assign() 用新元素替换容器中原有内容。
emplace_front() 在容器头部生成一个元素。该函数和 push_front() 的功能相同，但效率更高。
push_front() 在容器头部插入一个元素。
pop_front() 删除容器头部的一个元素。
emplace_back() 在容器尾部直接生成一个元素。该函数和 push_back() 的功能相同，但效率更高。
push_back() 在容器尾部插入一个元素。
pop_back() 删除容器尾部的一个元素。
emplace() 在容器中的指定位置插入元素。该函数和 insert() 功能相同，但效率更高。
insert() 在容器中的指定位置插入元素。
erase() 删除容器中一个或某区域内的元素。
swap() 交换两个容器中的元素，必须保证这两个容器中存储的元素类型是相同的。
resize() 调整容器的大小。
clear() 删除容器存储的所有元素。
splice() 将一个 list 容器中的元素插入到另一个容器的指定位置。
remove(val) 删除容器中所有等于 val 的元素。
remove_if() 删除容器中满足条件的元素。
unique() 删除容器中相邻的重复元素，只保留一个。
merge() 合并两个事先已排好序的 list 容器，并且合并之后的 list 容器依然是有序的。
sort() 通过更改容器中元素的位置，将它们进行排序。
reverse() 反转容器中元素的顺序

3.deque

<deque> 是标准模板库（STL）的一部分，它提供了双端队列（double-ended queue）的实现。双端队列是一种允许在两端进行插入和删除操作的线性数据结构。它提供了快速的随机访问能力，同时允许在两端进行高效的插入和删除操作。这使得 <deque> 成为处理需要频繁插入和删除元素的场景的理想选择。

与vector区别：vector虽然技术上也提供了两端数据的插入和删除，但本质是单向的连续线性空间，头部操作需要移动所有元素，效率太低‘deque允许常数时间内对端头元素增删；deque没有容量，是动态的以分段连续空间组合而成。随时可以增加一段新的空间链接起来。

虽然提供随即迭代器，但效率远不如vector，因此数组操作尽可能使用vector。并且在deque中进行sort，会先把数据拷贝在vector中，进行sort，然后在放回deque中，效率底下，因此deque只适合于在两端增删的场景——stack和queue

`deque()`	默认构造函数，创建一个空的 `deque` 容器。
`deque(size_type n)`	创建一个包含 `n` 个默认值元素的 `deque` 容器。
`deque(size_type n, const T& value)`	创建一个包含 `n` 个值为 `value` 的 `deque` 容器。
`deque(initializer_list<T> il)`	使用初始化列表 `il` 构造 `deque` 容器。
`operator=`	赋值操作符，赋值给 `deque` 容器。
`assign()`	用新值替换 `deque` 容器中的所有元素。
`at(size_type pos)`	返回 `pos` 位置的元素，并进行范围检查。
`operator[](size_type pos)`	返回 `pos` 位置的元素，不进行范围检查。
`front()`	返回第一个元素的引用。
`back()`	返回最后一个元素的引用。
`begin()`	返回指向第一个元素的迭代器。
`end()`	返回指向末尾元素后一位置的迭代器。
`rbegin()`	返回指向最后一个元素的逆向迭代器。
`rend()`	返回指向第一个元素之前位置的逆向迭代器。
`empty()`	检查容器是否为空。
`size()`	返回容器中的元素个数。
`max_size()`	返回容器可容纳的最大元素个数。
`clear()`	清除容器中的所有元素。
`insert(iterator pos, const T& value)`	在 `pos` 位置插入 `value` 元素。
`erase(iterator pos)`	移除 `pos` 位置的元素。
`push_back(const T& value)`	在容器末尾添加 `value` 元素。
`pop_back()`	移除容器末尾的元素。
`push_front(const T& value)`	在容器前端添加 `value` 元素。
`pop_front()`	移除容器前端的元素。
`resize(size_type count)`	调整容器大小为 `count`，多出部分用默认值填充。
`swap(deque& other)`	交换两个 `deque` 容器的内容。
`get_allocator()`	返回一个用于构造双端队列的分配器对象的副本。

stack：栈，先进后出，一端进出，不允许遍历，这种改变容器接口，得到另一种结构的称为配接器

==queue：==队列，先进先出，一端只进，另一端只出，

4.set

关联容器，它存储了一组唯一的元素，并按照一定的顺序进行排序。<set> 提供了高效的元素查找、插入和删除操作。它是基于红黑树实现的，因此具有对数时间复杂度的查找、插入和删除性能。有序、不能重复。同时迭代器失效只存在于被删除元素。

insert(元素): 插入一个元素。
erase(元素): 删除一个元素。
find(元素): 查找一个元素。
size(): 返回容器中元素的数量。
empty(): 检查容器是否为空。

5.unordered_set

提供了一种基于哈希表的容器，用于存储唯一的元素集合。与 set 不同，unordered_set 不保证元素的排序，但通常提供更快的查找、插入和删除操作。

无序、不能重复、有哈希函数

insert(元素): 插入一个元素。
erase(元素): 删除一个元素。
find(元素): 查找一个元素。
size(): 返回容器中元素的数量。
empty(): 检查容器是否为空。

6. map

<map> 是标准模板库（STL）的一部分，它提供了一种关联容器，用于存储键值对（key-value pairs）。map 容器中的元素是按照键的顺序自动排序的，这使得它非常适合需要快速查找和有序数据的场景。有序、键值对、唯一、双向迭代。底层红黑树

7.unordered_map

提供了一种基于哈希表的键值对容器。与 std::map 不同，unordered_map 不保证元素的排序，但通常提供更快的查找速度。

无序、键值对、唯一

8.priority_queue

优先队列，缺省由高到低，由maxheap实现，底层是一个vector的完全二叉树。同样是一种适配器；

push：先利用push_back放入底层vector中，在利用push_heap重新排序，实现优先队列的插入

pop：先利用pop_heap，把最大（最小）元素放到vector尾部，再利用pop_back弹出。

优先队列只有顶部top元素能被访问，因此不提供迭代器

9. slist（旧版，目前C++标准库不支持）

单向链表，对应迭代器是单向的，虽然功能不如list，但slist内存小，某些操作更快，特定需求下比list性能好。

单向链表特点决定，某个节点插入数据，只能插入该节点之后，这与STL其他容器操作相反（例如list，某个点插入新数据，新数据是在原始节点之前的，vector也是），因此提供insert_after，erase_after。同时，链表尾部（back）增删数据显然效率低下，因此slist只提供push_front，pop_front。也就是虚拟头节点后增删数据，因此如果给一个slist插入数据1，2，3，4。实际单链表数据是相反的4，3，2，1有没有栈的味道？
其他容器操作相反（例如list，某个点插入新数据，新数据是在原始节点之前的，vector也是），因此提供insert_after，erase_after。同时，链表尾部（back）增删数据显然效率低下，因此slist只提供push_front，pop_front。也就是虚拟头节点后增删数据，因此如果给一个slist插入数据1，2，3，4。实际单链表数据是相反的4，3，2，1有没有栈的味道？