C++标准库STL容器详解

C++标准模板库STL容器

容器都是类模板，它们实例化后就成为容器类。用容器类定义的对象称为容器对象。对象或变量插入容器时，实际插入的是对象或变量的一个复制品。

容器分类

顺序容器
1、元素在容器中的位置同元素的值无关，即容器不是排序的。
2、顺序容器包括：vector、deque、list。

关联容器
1、关联容器内的元素是有规则排列的（排序或加入哈希桶），插入元素时，容器会按一定的排序规则将元素放在适当的位置上。因为按规则排列，关联容器在查找时具有非常好的性能。
2、关联容器包括：set、multiset、map、multimap、unordered_set、unordered_multiset、unordered_map、std::unordered_multimap等。
3、不能修改关联容器中key的值，因为元素修改后容器并不会自动重新排序。正确的做法的是， 先删除该元素，再插入新元素。

容器适配器
1、STL在两类容器的基础上屏蔽一部分功能，突出或增加另一部分功能，实现了容器适配器。
2、STL中容器适配器有stack、queue、priority_queue三种，它们都是在顺序容器的基础上实现的。

容器通用接口

所有容器

int size( ) 返回容器对象中元素的个数
bool empty( ) 判断容器对象是否为空

顺序容器

front() 返回容器中第一个元素的引用
back() 返回容器中最后一个元素的引用
push_back() 在容器末尾增加新元素
pop_back() 删除容器末尾的元素
insert() 插入一个或多个元素

顺序容器和关联容器

begin( ) 返回指向容器中第一个元素的迭代器
end( ) 返回指向容器中最后一个元素后面的位置的迭代器
rbegin( ) 返回指向容器中最后一个元素的反向迭代器
rend( ) 返回指向容器中第一个元素前面的位置的反响迭代器
erase( ) 从容器中删除一个或几个元素
clear( ) 从容器中删除所有的元素
如果一个容器为空，则begin()和end()的返回值相等，rbegin()和rend()的返回值也相等

容器适配器

push：添加一个元素
top：返回顶部或对头的元素的引用
pop：删除一个元素

顺序容器

vector

1、动态数组，也叫可变长数组，在堆中分配内存，元素存放在连续的内存空间，支持下标随机访问，元素可重复，且是无序存放。
2、在头部或中间进行插入和删除操作时，会造成内存块的拷贝；对尾部进行插入和删除时一般不会拷贝内存；扩容时会内存拷贝。

扩容方式
开辟二倍的内存；旧的数据拷贝到新的内存；释放旧内存；重新指向新内存。

时间复杂度
1、[ ]或at()下标访问任意元素，时间复杂度是O(1)。
2、push_back尾部插入、pop_back尾部删除，时间复杂度O(1)。
3、insert插入、erase删除时间复杂度O(n)。

#include <vector>std::vector<int> _v;_v.push_back(20);//尾部添加元素_v.push_back(10);_v.push_back(10);//{20,10,10}printf("_v.front=%d\n",_v.front());//队首元素，_v.front=20printf("_v.back=%d\n",_v.back());//队尾元素，_v.back=10_v.pop_back();//移除尾部元素，{20,10}_v.insert(_v.begin() + 1, 30); //在指定的位置插入元素10的拷贝，{20,30,10}_v.erase(_v.begin() + 2);//删除指定位置的元素，{20,30}//遍历，可以使用下标遍历，也可以使用迭代器遍历auto iter = _v.begin();while(iter != _v.end()){printf("value=%d\n",*iter);iter++;}printf("_v[0]=%d,_v.at(1)=%d\n",_v[0],_v.at(1));//下标访问，越界crash，at抛出异常

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_v.front=20
_v.back=10
value=20
value=30
_v[0]=20,_v.at(1)=30

list

1、双向链表，存放在堆中，内存空间是不连续的，每个元素都存放在一块内存中，通过指针指向上一个元素和下一个元素。元素可重复，且是无序存放。
2、不需要扩容，添加元素时分配内存，删除元素时回收内存。
3、在任何位置添加和删除元素效率都很高，无需内存拷贝。
4、不能下标随机访问，访问任意元素效率低。

时间复杂度
1、访问首部和尾部是O(1)，访问其他元素是O(n)。
2、push_back、push_front、insert插入是O(1)，pop_front、pop_back、erase删除是O(1)。

#include <list>std::list<int> _l;_l.push_back(20);//尾部添加元素_l.push_back(30);_l.push_back(40);_l.push_front(10);//头部添加元素{10,20,30,40}printf("_l.front=%d\n",_l.front());//访问队首元素，_l.front=10printf("_l.back=%d\n",_l.back());//访问队尾元素，_l.back=40_l.pop_back();//移除尾部元素，{10,20,30}_l.pop_front();//移除头部元素，{20,30}//list迭代器只能++/--，不能+i随机访问_l.erase(_l.begin());//删除指定位置的元素，{30}_l.insert(++_l.begin(), 50); //在指定的位置插入元素10的拷贝，{30,50}//使用迭代器遍历,不能使用下标访问auto iter = _l.begin();while(iter != _l.end()){printf("value=%d\n",*iter);iter++;}

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_l.front=10
_l.back=40
value=30
value=50

deque

1、双端队列，deque类似于一个二维数组，由多个连续小空间拼接而成，引入map管理分段空间；map是一块连续的空间，map的每个元素是指向缓存区buffer的指针，每个缓存区buffer存储多个元素。
2、deque底层是假象的连续空间，实际上是分段连续的，为了“整体连续”和下标随机访问，deque定义了复杂的迭代器，实现随机访问。
3、deque结合了vector和list的优缺点，在队首和队尾进行插入和删除操作时效率高，遍历和排序效率低，中间插入和删除元素仍然存在内存拷贝，随机访问时需要计算数据在哪个buffer的第几个数据，效率低于vector。
4、deque功能全面，但效率普遍较低，实际应用时很少使用，通常作为stack和queue的底层默认容器（stack和queue不需要遍历，只需要在固定的一端或者两端进行操作，且deque扩容时不需要内存拷贝）。

时间复杂度
1、访问首部和尾部是O(1)，下标访问其他元素时接近O(1)。
2、push_back、push_front插入是O(1)，pop_front、pop_back删除是O(1)。
3、insert插入、erase删除时间复杂度O(n)。

支持首尾添加元素/访问元素/移除元素，支持下标访问和迭代器随机访问，几乎支持vector和list的所有功能。

#include <deque>std::deque<int> _d;_d.push_back(20);//尾部添加元素_d.push_back(30);_d.push_back(40);_d.push_front(10);//头部添加元素{10,20,30,40}printf("_d.front=%d\n",_d.front());//访问队首元素，_d.front=10printf("_d.back=%d\n",_d.back());//访问队尾元素，_d.back=40_d.pop_back();//移除尾部元素，{10,20,30}_d.pop_front();//移除头部元素，{20,30}_d.erase(_d.begin());//删除指定位置的元素，{30}_d.insert(_d.begin() + 1, 80); //在指定的位置插入元素，{30,80}//使用迭代器遍历auto iter = _d.begin();while(iter != _d.end()){printf("value=%d\n",*iter);iter++;}printf("_d[0]=%d,_d.at(1)=%d\n",_d[0],_d.at(1));//下标访问，越界crash，at抛出异常

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_d.front=10
_d.back=40
value=30
value=80
_d[0]=30,_d.at(1)=80

容器适配器

queue

1、队列，先进先出的数据结构，只支持在队尾添加元素，在队首删除元素。
2、queue可以指定底层容器（例如std::queue<int, std::list> q1），可以是基于数组的队列，也可以是基于链表的队列，即顺序队列和链表队列。
3、queue不提供迭代器访问，不能使用下标访问。

时间复杂度
1、插入push和删除pop是O(1)。
2、front和back访问是O(1)。

#include <queue>std::queue<int> _q;_q.push(10);//尾部添加元素_q.push(20);_q.push(30);_q.push(40);//{10,20,30,40}printf("_q.front=%d\n",_q.front());//访问队首元素，_q.front=10printf("_q.back=%d\n",_q.back());//访问队尾元素，_q.back=40_q.pop();//移除队首元素，{20,30,40}//不能使用下标和迭代器访问

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_q.front=10
_q.back=40

stack

1、数据栈，先进后出的数据结构，单端口进出，数据入栈只能加入栈顶，数据出栈也只能取栈顶的元素。
2、stack和queue数据结构类似，可以指定底层容器，默认是deque，分数组栈和链表栈。
3、stack不提供迭代器访问，不能使用下标访问。

时间复杂度
1、入栈push和出栈pop是O(1)。
2、top访问是O(1)。

#include <stack>std::stack<int> _s;_s.push(10);//顶部添加元素_s.push(20);_s.push(30);_s.push(40);//{10,20,30,40}printf("_s.top=%d\n",_s.top());//访问顶部元素，_s.top=40_s.pop();//移除顶部元素，{10,20,30}

priority_queue

1、优先级队列 priority_queue，常用来对数据进行优先级处理，比如优先级高的值在前面，常用堆（Heap）来实现，底层是以vector数组存储的完全二叉树。
2、优先级队列是一个拥有权值的queue，其内部元素按照元素的权值排列。权值较高者排在最前优先出队。
3、priority_queue不提供迭代器访问，不能使用下标访问。

堆是一种特殊的树，只要满足以下两个条件，就可以称这棵树为堆：
1、堆是一颗完全二叉树（完全二叉树要求，除了最后一层，其他节点个数都是满的，最后一层的节点都靠左排列）。
2、堆中的每一个节点都必须大于等于(或者小于等于)其子树中每个节点的值。

时间复杂度
1、使用vector数组构造priority_queue是O(n)。
2、插入元素push和移除堆顶pop是O(log(n))。
3、访问堆顶top是O(1)。

以下面程序举例，数据结构如下

#include <queue>std::vector<int> v{ 1,2,3,4,5,6,7,8,9,10 };std::priority_queue<int> p1(v.begin(), v.end());//使用vector数组构造大顶堆printf("p1.top=%d\n",p1.top());//访问顶部元素，.top=10//    std::priority_queue <int,std::vector<int>,std::greater<int> > _p2;//小顶堆std::priority_queue<int> _p;//默认大顶堆_p.push(56);//添加一个元素，自动排序_p.push(15);_p.push(70);_p.push(30);_p.push(10);_p.push(25);//{70,30,56,15,10,25}printf("_p.top=%d\n",_p.top());//访问顶部元素，_p.top=70_p.pop();//移除顶部元素，重新排序，{56,30,25,15,10}

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p1.top=10
_p.top=70

关联容器：红黑树

set

1、set是排序的、不重复的数据集合。
2、set元素类型是pair，存储键值对，且key和value必须相等。
3、set中的元素不能直接改变，可以先删除再添加。
4、set底层是以红黑树数据结构实现，节点存储值key。
5、set在内存中表现为一个排序的数组。
6、不支持下标访问。

时间复杂度
1、插入、删除、查找，都是严格在O(logn)时间内完成。

#include <set>std::set<int> s1;//定义一个空setstd::set<int>::iterator it;//s1的迭代器类型std::pair<std::set<int>::iterator,bool> ret;//插入数据的返回值类型,first是指向插入数据的迭代器，second标识是否插入成功// 单个数据插入for (int i=1; i<=5; ++i)s1.insert(i*10); // {10,20,30,40,50}ret = s1.insert(20); // 重复插入时失败，返回的迭代器指向容器中已存在的值，bool为falseif (ret.second==false)it=ret.first;  // "it" now points to element 20s1.erase(50);// 通过值删除元素，{10,20,30,40}s1.insert (it,25);//通过迭代器插入，{10,20,25,30,40}//区间插入int myints[]= {5,10,15};s1.insert (myints,myints+3);//迭代器遍历访问for (it=s1.begin(); it!=s1.end(); ++it)printf("*it=%d ",*it);printf("\n");auto iter = s1.find(20);//find查询元素是否在set集合中if(iter != s1.end()){printf("found 20\n");}

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*it=5 *it=10 *it=15 *it=20 *it=25 *it=30 *it=40 
found 20

multiset

multiset类似与set，区别在于multiset支持插入重复的元素，insert函数没有返回值，有重复元素时count函数返回值大于1。

map

1、map中存储的是键值对<key,value>，根据key有序排列，且key唯一。
2、map底层是以红黑树数据结构实现。
3、使用迭代器可以对value进行修改，但不能修改key，若要修改key，可以先删除再添加。
4、可以通过[key]或at(key)下标访问，若map中没有该key，则[ ]会向map中添加键值对，at()抛出异常或crash。
5、map在内存中表现为根据key排序的一组键值对。

时间复杂度
1、插入、删除、查找，都是严格在O(logn)时间内完成。

#include <map>std::map<int,std::string> map1;//定义一个空mapstd::map<int,std::string>::iterator it;//map1的迭代器类型//插入数据的返回值类型,first是指向插入数据的迭代器，second标识是否插入成功std::pair<std::map<int,std::string>::iterator,bool> ret;//1.通过pair<int, string>(1,"lilei") 构造pair元素map1.insert(std::pair<int, std::string>(1,"lilei"));//2.通过make_pair构造pair元素map1.insert(std::make_pair(2,"hmm"));//3.通过value_type构造pair元素map1.insert(std::map<int, std::string>::value_type(3,"zsan"));//4.[ ]下标插入map1[4] = "zsi";//5.emplace插入map1.emplace(5,"chw");ret = map1.emplace(2,"hmei");if(ret.second == false)//插入失败，返回falseprintf("ret.first=%s\n",ret.first->second.c_str());bool ret2 = map1.erase(1);//通过key删除元素，成功返回true，失败返回falseprintf("erase ret2=%d\n",ret2);//find查找keyauto iter_find  = map1.find(3);if(iter_find != map1.end()){printf("find key=%d,value=%s\n",iter_find->first,iter_find->second.c_str());}//迭代器安全删除std::map<int,std::string>::iterator ite_es = map1.begin();while(ite_es != map1.end()){if(ite_es->first == 3){ite_es = map1.erase(ite_es);}else++ite_es;}//迭代器遍历auto iter_bl = map1.begin();while(iter_bl != map1.end()){printf("key=%d,value=%s\n",iter_bl->first,iter_bl->second.c_str());++iter_bl;}

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ret.first=hmm
erase ret2=1
find key=3,value=zsan
key=2,value=hmm
key=4,value=zsi
key=5,value=chw

multimap

multimap类似与map，区别在于multimap支持插入重复的元素，insert和emplace函数没有返回值，有重复元素时count函数返回值大于1。multimap不能使用[ ]下标插入。

关联容器：哈希表

unordered_set和unordered_multiset

1、这两个容器的操作集类似于set和multiset，区别在于unordered_set和unordered_multiset的底层数据结构是哈希表。
2、哈希表是通过把key进行哈希运算，分配到哈希桶，哈希桶内使用链表法解决哈希冲突。通过key就可以快速找到哈希桶的位置，因此查找效率高。

时间复杂度
1、在没有哈希冲突的情况下，查找是O(1)。

unordered_map和unordered_multimap

1、这两个容器的操作集类似于map和multimap，区别在于unordered_map和unordered_multimap的底层数据结构是哈希表。
2、哈希表是通过把key进行哈希运算，分配到哈希桶，哈希桶内使用链表法解决哈希冲突。通过key就可以快速找到哈希桶的位置，因此查找效率高。

时间复杂度
1、在没有哈希冲突的情况下，查找是O(1)。

unordered_map用法参考这里：https://blog.csdn.net/weixin_40355471/article/details/131803322?spm=1001.2014.3001.5502。

附1：红黑树数据结构

红黑树并不是严格的平衡二叉树，它要求从根到叶子的最长路径不多于最短路径的两倍长，为了满足这个特性，红黑树设置了五大规则：

1、节点是红色或者黑色
2、根节点是黑色
3、每个叶子的节点都是黑色的空节点
4、每个红色节点的两个子节点都是黑色的
5、从任意节点到其叶子节点的每条路径都包含相同个数的黑色节点

红黑树的高度近似logn，是近似平衡的二叉树，插入、删除、查找的时间复杂度都是O(logn)，性能非常稳定，在实际工作中，凡是动态插入、删除、查找数据的场景都可以用它。

附2：哈希表数据结构

哈希表也叫散列表（Hash table），是根据关键码值(Key value)而直接进行访问的数据结构。它通过把关键码值映射到表中一个位置来访问记录，以加快查找的速度。这个映射函数叫做散列函数，存放记录的数组叫做散列表。

下图是一个典型应用，key经过哈希函数计算得到哈希值，哈希值对一个常数n取模得到下标，通过下标可以直接访问哈希桶，哈希桶内存放<key,value>，如果有哈希冲突，在哈希桶内使用链表存储。

附3：reserve和resize

这两个函数常用于STL容器容量操作。
1、reserve，只分配空间，不创建对象，不可访问，用于大量成员创建，一次性分配空间，push_back时就不用再分配，提高执行效率。
2、resize，分配空间的同时还创建对象，并给对象赋初始值，可访问。

    std::vector<int> v1;v1.resize(5);//分配空间并初始化对象为0，此时元素个数是5v1.push_back(10);for(int index=0;index<v1.size();index++)printf("v1[%d]=%d  ",index,v1[index]);printf("\n");std::vector<int> v2;v2.reserve(5);//只分配空间，不创建对象，此时元素个数是0v2.push_back(20);for(int index=0;index<v2.size();index++)printf("v2[%d]=%d  ",index,v2[index]);printf("\n");

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v1[0]=0  v1[1]=0  v1[2]=0  v1[3]=0  v1[4]=0  v1[5]=10  
v2[0]=20