STL基础--容器

容器种类

• 序列容器(数组，链表)
  • Vector, deque, list, forward list, array
• 关联容器(二叉树)，总是有序的
  • set, multiset根据值排序，元素值不能修改
  • map, multimap根据key排序，键值不能修改
• 无序容器(hash 表)
  • 无序set/multiset
  • 无序map/multimap

序列容器

Vector

vector<int> vec;   // vec.size() == 0
vec.push_back(4);
vec.push_back(1);
vec.push_back(8);  // vec: {4, 1, 8};    vec.size() == 3

// Vector特定的操作:
cout << vec[2];     // 8  (没有范围检查)
cout << vec.at(2);  // 8  (超出范围会抛range_error exception异常)

for (int i; i < vec.size(); i++) {
   cout << vec[i] << " ";

for (list<int>::iterator itr = vec.begin(); itr!= vec.end(); ++itr)
   cout << *itr << " ";  

for (it: vec)    // C++ 11
   cout << it << " ";

// Vector是内存中一个动态分配的连续的数组
int* p = &vec[0];   p[2] = 6;

// 所有容器共有的一些成员函数
// vec: {4, 1, 8}
if (vec.empty()) { cout << "Not possible.\n"; }

cout << vec.size();   // 3

vector<int> vec2(vec);  // 拷贝构造, vec2: {4, 1, 8}

vec.clear();    // 删除所有元素;   vec.size() == 0

vec2.swap(vec);   // 交换，vec2变成空的，vec有3个元素

// 注：没有抽象带来的开销，非常高效

/* Vector的特性:
 * 1. 在末尾插入/删除很快: O(1)
 * 2. 在其他地方插入/删除s慢: O(n)
 * 3. 搜索慢: O(n)
 */

Deque

deque<int> deq = { 4, 6, 7 };
deq.push_front(2);  // deq: {2, 4, 6, 7}
deq.push_back(3);   // deq: {2, 4, 6, 7, 3}

// Deque接口跟vector类似
cout << deq[1];  // 4

/* 特性:
 * 1. 在首尾插入/删除快
 * 2. 中间插入/删除慢: O(n)
 * 3. 搜索慢: O(n)
 */

List

 *  -- 双向链表
 *  元素储存在内存不同的地方，cache会经常miss。很多STL实现会将其元素放到一起，但即使如此因为包含了太多指针，会消耗更多的内存(意味着更多的cache miss和page fault)
 */
list<int> mylist = {5, 2, 9 };
mylist.push_back(6);  // mylist: { 5, 2, 9, 6}
mylist.push_front(4); // mylist: { 4, 5, 2, 9, 6}

list<int>::iterator itr = find(mylist.begin(), mylist.end(), 2); // itr -> 2
mylist.insert(itr, 8);   // mylist: {4, 5, 8, 2, 9, 6}
                         // O(1), 比vector/deque更快
itr++;                   // itr -> 9
mylist.erase(itr);       // mylist: {4, 8, 5, 2, 6}   O(1)

/* 特性:
 * 1. 任何地方插入/删除快: O(1)
 * 2. 搜索慢: O(n)
 * 3. 没有随机访问，即没有 [] 运算符
 */

// 拼接速度快
mylist1.splice(itr, mylist2, itr_a, itr_b );   // O(1)

Array

// 不能改变大小，不能元素个数的Array是不同类型
int a[3] = {3, 4, 5};
array<int, 3> a = {3, 4, 5};
a.begin();
a.end();
a.size();
a.swap();
array<int, 4> b = {3, 4, 5};

关联容器

• 基于二叉树，总是排序的，默认基于 < 排序
• 没有push_back(), push_front()

set和multiset

// 元素不能重复

  set<int> myset;
  myset.insert(3);    // myset: {3}
  myset.insert(1);    // myset: {1, 3}
  myset.insert(7);    // myset: {1, 3, 7},  O(log(n))

  set<int>::iterator it;
  it = myset.find(7);  // O(log(n)), it指向7
                  // 序列容器没有find函数
  pair<set<int>::iterator, bool> ret;
  ret = myset.insert(3);  // 不插入新元素
  if (ret.second==false)
     it=ret.first;       // "it"当前指向元素3

  myset.insert(it, 9);  // myset:  {1, 3, 7, 9}   O(log(n)) => O(1)，it作为插入元素位置的一个提示，并不是实际插入位置
                         // it 指向3
  myset.erase(it);         // myset:  {1, 7, 9}

  myset.erase(7);   // myset:  {1, 9}
     // 注：序列容器没有这种根据元素值删除元素的erase

// multiset允许元素重复的set
multiset<int> myset;

// set/multiset: 元素值都是不能修改的
*it = 10;  // *it只读

/* 特性:
 * 1. 搜索快: O(log(n))
 * 2. 因为也是通过指针联系(cache miss和page fault的问题)，遍历慢 (相比vector & deque)
 * 3. 没有随机访问，即没有 [] 运算符
 */

map和multimap

/*
 *    map
 * - key值不能重复
 */
map<char,int> mymap;
mymap.insert ( pair<char,int>('a',100) );
mymap.insert ( make_pair('z',200) );

map<char,int>::iterator it = mymap.begin();
mymap.insert(it, pair<char,int>('b',300));  // "it"只是一个提示

it = mymap.find('z');  // O(log(n))

// showing contents:
for ( it=mymap.begin() ; it != mymap.end(); it++ )
  cout << (*it).first << " => " << (*it).second << endl;

// multimap允许键值重复
multimap<char,int> mymap;

// map/multimap:
//  -- 键值不能修改
//     type of *it:   pair<const char, int>
     (*it).first = 'd';  // Error

// 为何叫“关联”容器
// 因为value和key是关联的，set是特殊的map，value等于key

无序容器(C++ 11)

• 无序的set/multiset
• 无序的map/multimap
• 顺序是未定义的，可能随时间改变
  
  

/*
 *  基本类型和string都定义了默认的hash函数
 *
 *  没有下标操作[]和at()
 *  没有push_back()和push_front()
 */

  unordered_set<string> myset = { "red","green","blue" };
  unordered_set<string>::const_iterator itr = myset.find ("green"); // O(1)
  if (itr != myset.end())   // 重要的检查
     cout << *itr << endl;
  myset.insert("yellow");  // O(1)

  vector<string> vec = {"purple", "pink"};
  myset.insert(vec.begin(), vec.end());

// Hash表特定的APIs:
  cout << "load_factor = " << myset.load_factor() << endl;    // 负载因子：总元素和总桶数的比值
  string x = "red";
  cout << x << " is in bucket #" << myset.bucket(x) << endl;    // x位于哪个桶
  cout << "Total bucket #" << myset.bucket_count() << endl;    // 总的桶数

// 无序multiset，无序map和multimap也是类似

// hash冲撞 => 性能退化

/* 无序容器的特性:
 * 1. 在任何位置搜索/插入都最快: O(1)
 *     关联容器O(log(n))
 *     vector, deque O(n)
 *     list插入O(1) , 搜索O(n)
 * 2. Unorderd set/multiset: 元素值不能改变
 *    Unorderd map/multimap: key不能改变
 */

Associative Array

/*
 * 一般指的是map和unordered map
 */
unordered_map<char, string> day = {{'S',"Sunday"}, {'M',"Monday"}};

cout << day['S'] << endl;    // 没有范围检查
cout << day.at('S') << endl; // 有范围检查

vector<int> vec = {1, 2, 3};
vec[5] = 5;   // Compile Error

day['W'] = "Wednesday";  // Inserting {'W', "Wednesday}
day.insert(make_pair('F', "Friday"));  // Inserting {'F', "Friday"}

day.insert(make_pair('M', "MONDAY"));  // key已经存在，插入失败
day['M'] = "MONDAY";                   // 可以通过下标修改值

void foo(const unordered_map<char, string>& m) {
   //m['S'] = "SUNDAY";
   //cout << m['S'] << endl;  //编译出错，下标操作有写权限，编译器看到以为要对const变量进行写操作
   auto itr = m.find('S');        //使用find替代
   if (itr != m.end())
      cout << *itr << endl;
}
foo(day);

//关于Associative Array:
//1. 搜索时间: unordered_map, O(1); map, O(log(n));
//2. 但是Unordered_map可能退化为O(n);
//3. 不能使用multimap和unordered_multimap, 它们的key不唯一，也没有下标操作[]

容器适配器

• 为了满足某种特殊需要，提供受限制的接口
• 通过基本的容器类实现

 *
 *  1. 栈 stack:  LIFO, push(), pop(), top()
 *
 *  2. 队列 queue:  FIFO, push(), pop(), front(), back()
 *
 *  3. 优先级队列 priority queue: 第一个元素总是具有最高优先级
 *                   push(), pop(), top()
 */

另一种容器分类的方法

 *
 * 1. 基于数组的容器: vector, deque
 *
 * 2. 基于结点的容器: list + associative containers + unordered containers
 *
 * 基于数组的容器会使指针失效:
 *    - 原生指针，迭代器，引用
 */

 vector<int> vec = {1,2,3,4};
 int* p = &vec[2];   // p points to 3
 vec.insert(vec.begin(), 0);
 cout << *p << endl;   // 2, or ?
// 运气好，打印2；运气不好，未定义