【C++】STL各容器的实现，时间复杂度，适用情况分析

一.vector

1.概述

动态数组，在内存中具有连续的储存空间，在堆上分配内存，支持快速随机访问，在中间插入和删除慢，但在末尾插入和删除快

2.特点

1）拥有一段连续的内存空间，并且起始地址不变，因此能非常好的支持随机存取，但由于其内存空间是连续的，所以在中间插入和删除会造成内存块的拷贝，另外，当该数组的内存空间不够时，需要重新申请一块足够大的内存并进行内存拷贝，这些都大大的影响了vector的效率

2）对头部和中间的元素进行插入删除需要移动内存，如果元素是结构体或者类，那么移动时还会进行析构和构造操作，所以性能不高

3）对末尾的元素的操作最快，此时一般不需要移动内存，只有剩余内存不够时才需要

3.时间复杂度分析：

头部插入删除：O(N)

尾部插入删除:O(1)

中间插入删除：O(N)

查找：O(N)

4.优缺点及适用场景

优点：支持随机储存，查询效率高

缺点：在头部和中间插入删除元素效率低，需要移动内存

适用场景：适用于元素结构简单，变化小，并且频繁随机访问的场景

5.结论

vector常用来保存需要经常进行随机访问的内容，并且不需要对中间元素进行添加和删除操作

二.双向队列deque

1.概述

deque是double ended queue的缩写，是一个动态数组，可以向两端发展(双向开口的连续线性空间)，因此无论在头部或者尾部安插元素都十分迅速，在中间按插元素则比较费时，因为必须移动其他元素

双端队列的元素被表示为一个分段数组，容器中的元素分段存放在一个个大小固定的数组中，此外，容器还需要维护一个存放这些数组首地址的索引数组，如下图所示

由于分段数组的大小是固定的，并且他们的首地址被连续存放在索引数组中，因此可以对其进行随机访问，但是效率比vector低很多

向两端加入新元素时，如果这一端的分段数组未满，则可以直接加入，如果这一端的分段数组已满，只需要创建新的分段数组，并把该分段数组的地址加入到索引数组中即可，这样就不需要对已有的元素进行移动，因此在双端队列的两端加入新的元素都具有较高的效率

当双端队列删除首尾元素时，也不需要移动，所以效率也比较高

双端队列中间插入元素时，需要将插入点到某一端之间的所有元素向容器的这一端移动，因此向中间插入元素的效率较低，而且往往插入的位置越靠近中间，效率越低，删除队列中元素时，情况也类似

2.特点

1）按照页或者块来分配存储器，每页包含固定数目的元素

2）支持随机储存

3）头尾删除插入元素效率高

3.时间复杂度分析

头部尾部插入删除：O(1)

中间插入删除：O(N)

查找：O(N)

4.优缺点及适用场景

优点：头部尾部插入删除快

缺点：不适合中间插入删除操作，占用内存多

适用场景：适用于既要频繁随机储存，又要关心两端数据的插入与删除操作，并且不需要频繁对中间元素进行插入删除的场景

三.双向链表list

1.概述

list由双向链表实现，元素存放在堆中，每个元素都是存放在一块内存中，它的内存空间可以是不连续的，通过指针来进行数据访问，这个特点使得它的随机储存变得非常的没有效率，但是由于链表的特点，它可以很有效率的支持任意地方的插入和删除操作

2.特点

1）没有预留空间的习惯，所以每分配一个元素都会从内存中分配，每释放一个元素都会释放其占用的内存

2）任何地方插入删除的效率都很高，不需要移动内存，也就不需要在移动过程中对每个元素进行构造和析构，常用来做随机插入和删除的容器

3）访问首尾元素最快

3.时间复杂度分析

任何位置的插入删除：O(1)(假设告诉了你插入删除的位置，不需要你线查找再删除)

头尾查询：O(1)

其他位置查询：O（N）

4.优缺点及适用场景

优点：内存不连续，动态操作，在任意位置插入和删除的效率都高

缺点：不支持随机访问，相比于vector占用内存多

适用场景：适用于经常进行插入和删除并且不经常随机访问的场景

关于vector，deque，list的总结：

vector

特点:快速的随机储存，快速的在最后插入删除元素

适用：需要高效随机储存，需要高效的在末尾插入删除元素，不需要高效的在其他地方插入和删除元素

deque

特点：比较快速的随机存储（比vector的慢),快速的在头尾插入删除元素

适用：需要随机储存，需要高效的在头尾插入删除元素的场景

list

特点：快速在任意位置插入删除元素，快速访问头尾元素

适用：需要大量插入删除操作，不关心随机储存的场景

deque可以看作是vector和list的折中方案

四.set

1.概述

set由红黑树实现，其内部元素依照其值自动排序，每个元素只出现一次，不允许重复(红黑树是平衡二叉树的一种)

2.特点

1）元素有序

2）无重复元素

3）插入删除操作的效率比序列容器高，因为对于关联容器来说，不需要做内存的拷贝和内存的移动

3.时间复杂度分析

增删改查近似：O(log N)

4.优缺点及适用场景

优点：使用平衡二叉树实现，便于元素查找，而且保持了元素的唯一性，支持自动排序

缺点：每次插入元素，都需要调整红黑树，效率有一定的影响

适用场景：适用与经常查找一个元素是否在某集群中并且不要排序的场景

五.multiset

multiset和set相同，只不过它允许重复元素，也就是说multiset可包括多个数值相同的元素。这里不再做过多介绍。

六.map

1.概述

map由红黑树实现，其元素都是键值对，每个元素的键是排序的准则，每个键只能出现一次，不允许重复

2.特点

1）元素为键值对形式，键和值可以是任意类型

2）因为key有序，所以可以通过二分对key进行快速查找

3）增加和删除结点对迭代器的影响很小，除了当前结点是迭代器指向的结点

4）对于迭代器来说，可以修改值，但是不能修改key

3.时间复杂度分析

增删改查基本是O(log N)

4.优缺点和适用场景

优点：适用平衡二叉树实现，便于元素查找，而且可以把值映射到另外一个值，可以创建字典

缺点：每次插入都需要调整红黑树，对效率存在一定的影响

适用场景：适用于需要储存一个字典，并要求方便的根据key找value的场景

七.multimap

multimap和map相同，但允许重复元素，也就是说multimap可包含多个键值（key）相同的元素。这里不再做过多介绍。

ps：stack，queue，prioroty_queue都属于容器配接器，是由容器按照特殊的逻辑实现的

小结:

1)如果需要高效的随机存取，不在乎插入和删除的效率，使用vector。

2)如果需要大量的插入和删除元素，不关心随机存取的效率，使用list。
3)如果需要随机存取，并且关心两端数据的插入和删除效率，使用deque。
4)如果打算存储数据字典，并且要求方便地根据key找到value，一对一的情况使用map，一对多的情况使用multimap。
5)如果打算查找一个元素是否存在于某集合中，唯一存在的情况使用set，不唯一存在的情况使用multiset。