STL源码剖析——序列式容器

序列式容器

所谓序列化容器，其中的元素都可序，但未必有序。C++语言本省提供了一个序列式容器array，STL另外提供了vector，list，deque，stack，queue，priority_queue等序列式容器。其中stack和queue由于只是将deque作为底层实现，技术上被归类为一种配接器。
文章只是将一些细节知识点总结，底层源码不涉及。

vector

vector的数据结构
- 数组。
vector和array的区别
- array是静态空间，一旦配置了就不能改变；要存入大于空间个数的元素，需要客户端自己实现。
- vector是动态空间，随着元素的加入，它的内部机制会自行扩充以容纳新元素。
- 两者均为线性连续空间。

#include<iostream>
#include<vector>

int main(int argc, char* argv[]) {
    //*************array************
    int a[5] = { 0,1,2,3,4 };
    //换大空间
    int b[10] = { 0 };
    for (int i = 0; i < 5;++i) {
        b[i] = a[i];
    }
    b[5] = 10;
    //***************vector****************
    vector<int> vec{1,2,3};
    cout << vec.size() << endl; //3,size表示元素个数
    cout << vec.capacity() << endl; //3，capacity表示占用的空间，capacity>=size
    vec.push_back(4);
    vec.push_back(5);
    cout << vec.size() << endl; //5
    cout << vec.capacity() << endl;  //6，空间自行扩充
    getchar();
    return 0;
}

vector空间满载情况
- 为了降低空间配置时的速度成本，vector实际配置的大小可能比客户端需求量更大一些，以备将来可能的扩充。这便是容器的概念。也就是说，一个vector的容量永远大于等于其大小，一旦等于，便需扩充。
- vector空间满载，将会进行“配置新空间/数据移动/释还旧空间”，时间成本很高。因此，vector在配置新空间时，一般以旧空间的两倍来扩充。注意，这里扩充指的是容量capacity，size表示加入元素的个数。
- 空间配置原则：如果原大小为0，则配置 $capacity=1$ ；如果原大小不为0，则配置原大小的两倍( $capacity_新=2*capacity_旧$ )。
vector的迭代器
- vector维护的是一个连续线性空间，普通指针即可满足需求，提供随机存取迭代器。
- 因vector满载需进行“配置新空间/数据移动/释还旧空间”操作，因而vector的迭代器会失效。
vector空间释放
- clear()函数：清除所有元素，但容量不改变。即 $size=0,capacity!=0$ 。
- 下面演示程序可知：当push_back和pop_back时size的大小（元素个数）改变，而capacity的大小只有在分配新空间时改变，且 $capacity_新=2*capacity_旧$ ，只增不减。（vector容量只增不减。）
- 因vector容量只增不减，所以对于释放vector占有的内存有必要了解一下。
  - 方法一：与临时变量swap。
  - 方法二：clear()+shink_to_fit()。先清除所有的元素，再将容量大小调整为元素大小即可。

#include<iostream>
#include<vector>

using namespace std;

int main(int argc, char* argv[]) {
    vector<int> vec{1,2,3,4};
    cout << vec.size() << endl; //4,size表示元素个数
    cout << vec.capacity() << endl; //4，capacity表示占用的空间，capacity>=size
    vec.push_back(5);
    cout << vec.size() << endl; //5,size表示元素个数
    cout << vec.capacity() << endl; //8，空间自行扩充
    vec.push_back(6);
    vec.push_back(7);
    cout << vec.size() << endl; //7
    cout << vec.capacity() << endl;  //8
    vec.push_back(8);
    vec.push_back(9);
    cout << vec.size() << endl; //9
    cout << vec.capacity() << endl;  //16，空间自行扩充
    //************************方法一************************
    /*
    vector<int>().swap(vec);
    cout << vec.size() << endl; //0
    cout << vec.capacity() << endl;  //0
    */
    //************************方法二************************
    vec.clear();
    vec.shrink_to_fit();
    cout << vec.size() << endl; //0
    cout << vec.capacity() << endl;  //0
    getchar();
    return 0;
}

vector优缺点
- 优点：随机存取。时间复杂度O(1)。
- 缺点：插入和删除的时间复杂度O(N)。需要对元素进行移动。

list

list的数据结构
- list是一个环状双向链表。所以它只需要一个指针，就可以完整的表现整个链表。
- 只要刻意在环状链表的尾端加上一个空白节点，便可满足“前闭后开”区间。
list的空间分配
- list不像vector是连续存储空间，需要预留空间来节省“配置新空间/数据移动/释还旧空间”操作的成本。因而容量大小等于元素个数。
- 每次配置一个节点大小，当元素删除时，相应空间一并删除。
list的迭代器
- list不能像vector一样以普通指针作为迭代器，因为其节点不保证在存储空间中连续存在。
- list是一个环状双向链表，迭代器必须具备前移、后移的能力，所以list提供的是双向迭代器。
- 插入操作和接合操作都不会造成原有的list迭代器失效，只有在删除元素时，“指向被删除元素”的那个迭代器失效，其他迭代器不受影响。
注意
- 插入操作：分配一个节点，“插入在…之前”。
- 移除操作：删除元素，并释放空间。
- 迁移操作
  - 将某连续范围的元素迁移到特定位置之前。只进行节点间的指针移动即可。
  - list中的splice(接合操作)、merge(合并操作)、reverse(反转操作)、sort(排序操作)均是以迁移操作为基础。
  - 图解
list优缺点
- 优点：无预留空间。插入和删除在常数时间内完成。
- 缺点：不能进行随机存取。时间复杂度为O(N)。

deque

vector和deque的区别
- vector是单向开口的连续线性空间，deque是双向开口的连续线性空间。
- deque允许常数时间内对起头端进行元素的插入或移除操作。vector需要将起头端之后的元素进行整体的前移或后移操作，时间复杂度为O(N)，效率极差。
- deque没有所谓的容量概念，它是动态地以分段连续空间组合而成，随时可以增加一段新的空间并链接起来（随后会介绍）。
deque的中控器
- deque采用一块所谓的map（不是map容器）作为主控。这里所谓的map是一小块连续空间，其中每个元素都是指针，指向另一段（较大的）连续线性空间，称为缓冲区。缓冲区才是deque的存储空间主体。
- deque的连续空间其实是假象，是由一段一段的定量连续空间构成。
deque的迭代器
- deque的迭代器包含四个指针
  - cur：指向缓冲区中的现行元素
  - first：指向缓冲区的头
  - last：指向缓冲区的尾
  - node：指向管控中心
- 当map所指的缓冲区容量满载时，需要对map进行扩充，扩充过程：配置更大的，拷贝原来的，释放原来的。因此deque的迭代器会失效。
- deque的中控器、缓冲区、迭代器的相互关系
deque在尾端添加元素，引发新缓冲区的配置（条件：map中控器未满载，不需要考虑map）。
deque在最前端添加元素，引发新缓冲区的配置（条件：map中控器未满载，不需要考虑map）。
map满载时，扩充map（配置更大的，拷贝原来的，释放原来的）。
deque优缺点
- 可随机存取。时间复杂度为O(1)。可在头部和尾部进行插入操作，相对于vector的头插操作效率较高。
- 插入和删除操作时间复杂度为O(N)（头插和尾插时间复杂度为O(1)，头删和尾删时间复杂度为O(1)）。若插入位置之前的元素个数较少，则将之前的元素前移，反之将之后的元素后移。删除操作类似插入操作。

STL源码剖析——序列式容器

序列式容器

vector

list

deque

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