C++容器的一些总结

╰半夏微凉° 2021-09-14 02:52 364阅读 0赞

关于C++容器的一些总结

1、容器的定义

在数据存储上，有一种对象类型，它可以持有其它对象或指向其它对像的指针，这种对象类型就叫做容器。很简单，容器就是保存其它对象的对象，当然这是一个朴素的理解，这种“对象”还包含了一系列处理“其它对象”的方法。

2、容器的种类

顺序容器：是一种各元素之间有顺序关系的线性表，是一种线性结构的可序群集。顺序性容器中的每个元素均有固定的位置，除非用删除或插入的操作改变这个位置。顺序容器的元素排列次序与元素值无关，而是由元素添加到容器里的次序决定。顺序容器包括：vector(向量)、list（列表）、deque（队列）。

关联容器：关联式容器是非线性的树结构，更准确的说是二叉树结构。各元素之间没有严格的物理上的顺序关系，也就是说元素在容器中并没有保存元素置入容器时的逻辑顺序。但是关联式容器提供了另一种根据元素特点排序的功能，这样迭代器就能根据元素的特点“顺序地”获取元素。 元素是有序的集合，默认在插入的时候按升序排列。关联容器包括：map（集合）、set（映射）、multimap（多重集合）、multiset（多重映射）。

容器适配器：本质上，适配器是使一种不同的行为类似于另一事物的行为的一种机制。容器适配器让一种已存在的容器类型采用另一种不同的抽象类型的工作方式实现。适配器是容器的接口，它本身不能直接保存元素，它保存元素的机制是调用另一种顺序容器去实现，即可以把适配器看作“它保存一个容器，这个容器再保存所有元素”。STL 中包含三种适配器：栈stack 、队列queue 和优先级队列priority\_queue 。

3、各种容器的元素在内存中的储存方式

vector（向量）：相当于数组，但其大小可以不预先指定，并且自动扩展。它可以像数组一样被操作，由于它的特性我们完全可以将vector 看作动态数组。在创建一个vector 后，它会自动在内存中分配一块连续的内存空间进行数据存储，初始的空间大小可以预先指定也可以由vector 默认指定，这个大小即capacity （）函数的返回值。当存储的数据超过分配的空间时vector 会重新分配一块内存块，但这样的分配是很耗时的，效率非常低。

deque（队列）：它不像vector 把所有的对象保存在一块连续的内存块，而是采用多个连续的存储块，并且在一个映射结构中保存对这些块及其顺序的跟踪。向deque 两端添加或删除元素的开销很小，它不需要重新分配空间。

list（列表）：是一个线性链表结构，它的数据由若干个节点构成，每一个节点都包括一个信息块（即实际存储的数据）、一个前驱指针和一个后驱指针。它无需分配指定的内存大小且可以任意伸缩，这是因为它存储在非连续的内存空间中，并且由指针将有序的元素链接起来。

set, multiset, map, multimap 是一种非线性的树结构，具体的说采用的是一种比较高效的特殊的平衡检索二叉树—— 红黑树结构。

4、各种容器优劣分析

Vector：

优点：

A、支持随机访问，访问效率高和方便，它像数组一样被访问，即支持\[ \] 操作符和vector.at()。

B、节省空间，因为它是连续存储，在存储数据的区域都是没有被浪费的，但是要明确一点vector 大多情况下并不是满存的，在未存储的区域实际是浪费的。

缺点：

A、在内部进行插入、删除操作效率非常低。

B、只能在vector 的最后进行push 和pop ，不能在vector 的头进行push 和pop 。

C、 当动态添加的数据超过vector 默认分配的大小时要进行内存的重新分配、拷贝与释放，这个操作非常消耗性能。

List：

优点：

不使用连续的内存空间这样可以随意地进行动态操作，插入、删除操作效率高；

缺点：

A、不能进行内部的随机访问，即不支持\[ \] 操作符和vector.at()，访问效率低。

B、相对于verctor 占用更多的内存。

Deque：

优点：

A、支持随机访问，方便，即支持\[ \] 操作符和vector.at() ，但性能没有vector 好；

B、可以在两端进行push 、pop 。

缺点：

在内部进行插入、删除操作效率低。

综合：

vector 的查询性能最好，并且在末端增加数据也很好，除非它重新申请内存段；适合高效地随机存储。

list 是一个链表，任何一个元素都可以是不连续的，但它都有两个指向上一元素和下一元素的指针。所以它对插入、删除元素性能是最好的，而查询性能非常差；适合 大量地插入和删除操作而不关心随机存取的需求。

deque 是介于两者之间，它兼顾了数组和链表的优点，它是分块的链表和多个数组的联合。所以它有被list 好的查询性能，有被vector 好的插入、删除性能。 如果你需要随即存取又关心两端数据的插入和删除，那么deque 是最佳之选。

关联容器的特点是明显的，相对于顺序容器，有以下几个主要特点：

A， 其内部实现是采用非线性的二叉树结构，具体的说是红黑树的结构原理实现的；

B， set 和map 保证了元素的唯一性，mulset 和mulmap 扩展了这一属性，可以允许元素不唯一；

C， 元素是有序的集合，默认在插入的时候按升序排列。

基于以上特点，

A， 关联容器对元素的插入和删除操作比vector 要快，因为vector 是顺序存储，而关联容器是链式存储；比list 要慢，是因为即使它们同是链式结构，但list 是线性的，而关联容器是二叉树结构，其改变一个元素涉及到其它元素的变动比list 要多，并且它是排序的，每次插入和删除都需要对元素重新排序；

B， 关联容器对元素的检索操作比vector 慢，但是比list 要快很多。vector 是顺序的连续存储，当然是比不上的，但相对链式的list 要快很多是因为list 是逐个搜索，它搜索的时间是跟容器的大小成正比，而关联容器 查找的复杂度基本是Log(N) ，比如如果有1000 个记录，最多查找10 次，1,000,000 个记录，最多查找20 次。容器越大，关联容器相对list 的优越性就越能体现；

C， 在使用上set 区别于vector,deque,list 的最大特点就是set 是内部排序的，这在查询上虽然逊色于vector ，但是却大大的强于list 。

D， 在使用上map 的功能是不可取代的，它保存了“键\- 值”关系的数据，而这种键值关系采用了类数组的方式。数组是用数字类型的下标来索引元素的位置，而map 是用字符型关键字来索引元素的位置。在使用上map 也提供了一种类数组操作的方式，即它可以通过下标来检索数据，这是其他容器做不到的，当然也包括set 。（STL 中只有vector 和map 可以通过类数组的方式操作元素，即如同ele\[1\] 方式）

5、关于容器的sizeof、size()、capacity问题

vector<int> ivec;

cout<<sizeof(ivec)<<endl; //   12

cout<<ivec.size()<<endl; // 0

cout<<ivec.capacity()<<endl; // 0

for(int i=0;i<10;i++)

ivec.push\_back(1);

cout<<sizeof(ivec)<<endl; // 12

Cout<<ivec.size()<<endl; // 10

cout<<ivec.capacity()<<endl; // 16

这是container的实现问题，container肯定有些数据成员什么的，这可以是auto\_ptr或者是普通的ptr指向一块内存区域，或者还有可能（应该）包括这个内存区域的长度，现在已经用的长度。sizeof操作符统计的只是数据成员的长度，不会与堆里面的数据长度有关，所以会出现你看到的结果。即作sizeof操作的大小是相同的。而vector::size()操作，才反映了具体数据长度。Capacity求的是容器（vector）的容量。