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STL

• 1.请说说 STL 的基本组成部分
• 2.详细的说，STL由6部分组成：容器(Container)、算法（Algorithm）、 迭代器（Iterator）、仿函数
• 3. 请说说 STL 中常见的容器，并介绍一下实现原理
• 5. 请你来介绍一下 STL 的空间配置器（allocator）
• 6.STL 容器用过哪些，查找的时间复杂度是多少，为什么？
• 7. 迭代器用过吗？什么时候会失效？
• 8.说一下STL中迭代器的作用，有指针为何还要迭代器？
• 9.说说 STL 迭代器是怎么删除元素的
• 10.说说 STL 中 resize 和 reserve 的区别

1.请说说 STL 的基本组成部分

参考回答
标准模板库（Standard Template Library,简称STL）简单说，就是一些常用数据结构和算法的模板的
集合。
广义上讲，STL分为3类：Algorithm（算法）、Container（容器）和Iterator（迭代器），容器和法通过迭代器可以进行无缝地连接。

2.详细的说，STL由6部分组成：容器(Container)、算法（Algorithm）、 迭代器（Iterator）、仿函数

（Function object）、适配器（Adaptor）、空间配制器（Allocator）。
答案解析
标准模板库STL主要由6大组成部分：

1. 容器(Container)
   是一种数据结构， 如list, vector, 和deques，以模板类的方法提供。为了访问容器中的数据，可以使用由容器类输出的迭代器。
2. 算法（Algorithm）
   是用来操作容器中的数据的模板函数。例如，STL用sort()来对一 个vector中的数据进行排序，
   用find()来搜索一个list中的对象， 函数本身与他们操作的数据的结构和类型无关，因此他们可以
   用于从简单数组到高度复杂容器的任何数据结构上。
3. 迭代器（Iterator）
   提供了访问容器中对象的方法。例如，可以使用一对迭代器指定list或vector中的一定范围的对
   象。 迭代器就如同一个指针。事实上，C++ 的指针也是一种迭代器。 但是，迭代器也可以是那些
   定义了operator*()以及其他类似于指针的操作符方法的类对象;
4. 仿函数（Function object）
   仿函数又称之为函数对象， 其实就是重载了操作符的struct,没有什么特别的地方。
5. 适配器（Adaptor）
   简单的说就是一种接口类，专门用来修改现有类的接口，提供一中新的接口；或调用现有的函数来实现所需要的功能。主要包括3中适配器Container Adaptor、Iterator Adaptor、Function Adaptor。
6. 空间配制器（Allocator）
   为STL提供空间配置的系统。其中主要工作包括两部分：
   （1）对象的创建与销毁；
   （2）内存的获取与释放。

3. 请说说 STL 中常见的容器，并介绍一下实现原理

参考回答
容器可以用于存放各种类型的数据（基本类型的变量，对象等）的数据结构，都是模板类，分为顺序
容器、关联式容器、容器适配器三种类型，三种类型容器特性分别如下：

1. 顺序容器
   容器并非排序的，元素的插入位置同元素的值无关。包含vector、deque、list，具体实现原理
   如下：
   （1）vector 头文件
   动态数组。元素在内存连续存放。随机存取任何元素都能在常数时间完成。在尾端增删元素具有较佳的性能。
   （2）deque 头文件
   双向队列。元素在内存连续存放。随机存取任何元素都能在常数时间完成（仅次于vector）。在两端增删元素具有较佳的性能（大部分情况下是常数时间）。
   （3）list 头文件
   双向链表。元素在内存不连续存放。在任何位置增删元素都能在常数时间完成。不支持随机存取。
2. 关联式容器
   元素是排序的；插入任何元素，都按相应的排序规则来确定其位置；在查找时具有非常好的性能；通常以平衡二叉树的方式实现。包含set、multiset、map、multimap，具体实现原理如下：
   （1）set/multiset 头文件
   set 即集合。set中不允许相同元素，multiset中允许存在相同元素。
   （2）map/multimap 头文件
   map与set的不同在于map中存放的元素有且仅有两个成员变，一个名为first,另一个名为second, map根据first值对元素从小到大排序，并可快速地根据first来检索元素。
   注意：map同multimap的不同在于是否允许相同first值的元素。
3. 容器适配器
   封装了一些基本的容器，使之具备了新的函数功能，比如把deque封装一下变为一个具有stack功能的数据结构。这新得到的数据结构就叫适配器。包含stack,queue,priority_queue，具体实现原理如下：
   （1）stack 头文件
   栈是项的有限序列，并满足序列中被删除、检索和修改的项只能是最进插入序列的项（栈顶的项）。后进先出。
   （2）queue 头文件
   队列。插入只可以在尾部进行，删除、检索和修改只允许从头部进行。先进先出。
   （3）priority_queue 头文件
   优先级队列。内部维持某种有序，然后确保优先级最高的元素总是位于头部。最高优先级元素总是第一个出列。
   1.4.3 说说 STL 中 map hashtable deque list 的实现原理
   参考回答
   map、hashtable、deque、list实现机理分别为红黑树、函数映射、双向队列、双向链表，他们的特性分别如下：
4. map实现原理
   map内部实现了一个红黑树（红黑树是非严格平衡的二叉搜索树，而AVL是严格平衡二叉搜索树），红黑树有自动排序的功能，因此map内部所有元素都是有序的，红黑树的每一个节点都代表着map的一个元素。因此，对于map进行的查找、删除、添加等一系列的操作都相当于是对红黑树进行的操作。map中的元素是按照二叉树（又名二叉查找树、二叉排序树）存储的，特点就是左子树上所有节点的键值都小于根节点的键值，右子树所有节点的键值都大于根节点的键值。使用中序遍历可将键值按照从小到大遍历出来。
5. hashtable（也称散列表，直译作哈希表）实现原理
   hashtable采用了函数映射的思想记录的存储位置与记录的关键字关联起来，从而能够很快速地进行查找。这决定了哈希表特殊的数据结构，它同数组、链表以及二叉排序树等相比较有很明显的
   区别，它能够快速定位到想要查找的记录，而不是与表中存在的记录的关键字进行比较来进行找。
6. deque实现原理
   deque内部实现的是一个双向队列。元素在内存连续存放。随机存取任何元素都在常数时间完成（仅次于vector）。所有适用于vector的操作都适用于deque。在两端增删元素具有较佳的性能（大部分情况下是常数时间）。
7. list实现原理
   list内部实现的是一个双向链表。元素在内存不连续存放。在任何位置增删元素都能在常数时间完成。不支持随机存取。无成员函数，给定一个下标i，访问第i个元素的内容，只能从头部挨个遍历到第i个元素。

5. 请你来介绍一下 STL 的空间配置器（allocator）

参考回答
一般情况下,一个程序包括数据结构和相应的算法，而数据结构作为存储数据的组织形式，与内存空间有着密切的联系。在C++ STL中，空间配置器便是用来实现内存空间(一般是内存，也可以是硬盘等空间)分配的工具，他与容器联系紧密，每一种容器的空间分配都是通过空间分配器alloctor实现的。
答案解析

1. 两种C++类对象实例化方式的异同
   在c++中，创建类对象一般分为两种方式：一种是直接利用构造函数,直接构造类对象，如 Testtest()；另一种是通过new来实例化一个类对象，如 Test *pTest = new Test；那么，这两种方式有
   什么异同点呢？
   我们知道，内存分配主要有三种方式：
   （1） 静态存储区分配：内存在程序编译的时候已经分配好，这块内存在程序的整个运行空间内都
   存在。如全局变量,静态变量等。
   （2） 栈空间分配：程序在运行期间，函数内的局部变量通过栈空间来分配存储（函数调用栈），
   当函数执行完毕返回时，相对应的栈空间被立即回收。主要是局部变量。
   （3）堆空间分配：程序在运行期间，通过在堆空间上为数据分配存储空间，通过malloc和new创建的对象都是从堆空间分配内存，这类空间需要程序员自己来管理，必须通过free()或者是delete()
   函数对堆空间进行释放，否则会造成内存溢出。
   那么，从内存空间分配的角度来对这两种方式的区别，就比较容易区分:
   （1）对于第一种方式来说，是直接通过调用Test类的构造函数来实例化Test类对象的,如果该实例
   化对象是一个局部变量，则其是在栈空间分配相应的存储空间。
   （2）对于第二种方式来说,就显得比较复杂。这里主要以new类对象来说明一下。new一个类对象,其实是执行了两步操作：首先,调用new在堆空间分配内存,然后调用类的构造函数构造对象的内
   容；同样，使用delete释放时，也是经历了两个步骤：首先调用类的析构函数释放类对象，然后调
   用delete释放堆空间。
2. C++ STL空间配置器实现
   很容易想象，为了实现空间配置器，完全可以利用new和delete函数并对其进行封装实现STL的空间配置器，的确可以这样。但是，为了最大化提升效率，SGI STL版本并没有简单的这样做，而是采取了一定的措施，实现了更加高效复杂的空间分配策略。由于以上的构造都分为两部分，所以，在SGI STL中，将对象的构造切分开来，分成空间配置和对象构造两部分。
   内存配置操作: 通过alloc::allocate()实现
   内存释放操作: 通过alloc::deallocate()实现
   对象构造操作: 通过::construct()实现
   对象释放操作: 通过::destroy()实现
   关于内存空间的配置与释放，SGI STL采用了两级配置器：一级配置器主要是考虑大块内存空间，利用malloc和free实现；二级配置器主要是考虑小块内存空间而设计的（为了最大化解决内存碎片问题，进而提升效率），采用链表free_list来维护内存池（memory pool），free_list通过union结构实现，空闲的内存块互相挂接在一块，内存块一旦被使用，则被从链表中剔除，易于维护。

6.STL 容器用过哪些，查找的时间复杂度是多少，为什么？

参考回答
STL中常用的容器有vector、deque、list、map、set、multimap、multiset、unordered_map、unordered_set等。容器底层实现方式及时间复杂度分别如下：

1. vector
   采用一维数组实现，元素在内存连续存放，不同操作的时间复杂度为：
   插入: O(N)
   查看: O(1)
   删除: O(N)
2. deque
   采用双向队列实现，元素在内存连续存放，不同操作的时间复杂度为：
   插入: O(N)
   查看: O(1)
   删除: O(N)
3. list
   采用双向链表实现，元素存放在堆中，不同操作的时间复杂度为：
   插入: O(1)
   查看: O(N)
   删除: O(1)
4. map、set、multimap、multiset
   上述四种容器采用红黑树实现，红黑树是平衡二叉树的一种。不同操作的时间复杂度近似为:
   插入: O(logN)
   查看: O(logN)
   删除: O(logN)
5. unordered_map、unordered_set、unordered_multimap、 unordered_multiset
   上述四种容器采用哈希表实现，不同操作的时间复杂度为：
   插入: O(1)，最坏情况O(N)
   查看: O(1)，最坏情况O(N)
   删除: O(1)，最坏情况O(N)
   注意：容器的时间复杂度取决于其底层实现方式。

7. 迭代器用过吗？什么时候会失效？

参考回答
用过，常用容器迭代器失效情形如下。

1. 对于序列容器vector，deque来说，使用erase后，后边的每个元素的迭代器都会失效，后边每个元素都往前移动一位，erase返回下一个有效的迭代器。
2. 对于关联容器map，set来说，使用了erase后，当前元素的迭代器失效，但是其结构是红黑树，删除当前元素，不会影响下一个元素的迭代器，所以在调用erase之前，记录下一个元素的迭代器即可。
3. 对于list来说，它使用了不连续分配的内存，并且它的erase方法也会返回下一个有效的迭代器，因此上面两种方法都可以使用。

8.说一下STL中迭代器的作用，有指针为何还要迭代器？

参考回答

1. 迭代器的作用
   （1）用于指向顺序容器和关联容器中的元素
   （2）通过迭代器可以读取它指向的元素
   （3）通过非const迭代器还可以修改其指向的元素
2. 迭代器和指针的区别
   迭代器不是指针，是类模板，表现的像指针。他只是模拟了指针的一些功能，重载了指针的一些操作符，–>、++、–等。迭代器封装了指针，是一个”可遍历STL（ Standard TemplateLibrary）容器内全部或部分元素”的对象，本质是封装了原生指针，是指针概念的一种提升，提供了比指针更高级的行为，相当于一种智能指针，他可以根据不同类型的数据结构来实现不同的++，–等操作。
   迭代器返回的是对象引用而不是对象的值，所以cout只能输出迭代器使用取值后的值而不能直接输出其自身。
3. 迭代器产生的原因
   Iterator类的访问方式就是把不同集合类的访问逻辑抽象出来，使得不用暴露集合内部的结构而达到循环遍历集合的效果。
   答案解析
4. 迭代器
   Iterator（迭代器）模式又称游标（Cursor）模式，用于提供一种方法顺序访问一个聚合对象中各个元素, 而又不需暴露该对象的内部表示。 或者这样说可能更容易理解：Iterator模式是运用于聚合对象的一种模式，通过运用该模式，使得我们可以在不知道对象内部表示的情况下，按照一定顺序（由iterator提供的方法）访问聚合对象中的各个元素。 由于Iterator模式的以上特性：与聚合对象耦合，在一定程度上限制了它的广泛运用，一般仅用于底层聚合支持类，如STL的list、vector、stack等容器类及ostream_iterator等扩展Iterator。

• 迭代器示例

#include <vector>
#include <iostream>
using namespace std;
int main() {
vector<int> v; //一个存放int元素的数组，一开始里面没有元素
v.push_back(1);
v.push_back(2);
v.push_back(3);
v.push_back(4);
vector<int>::const_iterator i; //常量迭代器
for (i = v.begin(); i != v.end(); ++i) //v.begin()表示v第一个元素迭代器指针，++i
指向下一个元素
cout << *i << ","; //*i表示迭代器指向的元素
cout << endl;
vector<int>::reverse_iterator r; //反向迭代器
for (r = v.rbegin(); r != v.rend(); r++)
cout << *r << ",";
cout << endl;
vector<int>::iterator j; //非常量迭代器
for (j = v.begin();j != v.end();j++)
*j = 100;
for (i = v.begin();i != v.end();i++)
cout << *i << ",";
return 0;
}
/*  
运行结果：
1,2,3,4,
4,3,2,1,
100,100,100,100,
*/

9.说说 STL 迭代器是怎么删除元素的

参考回答
这是主要考察迭代器失效的问题。

1. 对于序列容器vector，deque来说，使用erase后，后边的每个元素的迭代器都会失效，后边每个元素都往前移动一位，erase返回下一个有效的迭代器；
2. 对于关联容器map，set来说，使用了erase后，当前元素的迭代器失效，但是其结构是红黑树，删除当前元素，不会影响下一个元素的迭代器，所以在调用erase之前，记录下一个元素的迭代器即可；
3. 对于list来说，它使用了不连续分配的内存，并且它的erase方法也会返回下一个有效的迭代器，因此上面两种方法都可以使用。
   答案解析
   容器上迭代器分类如下表（详细实现过程请翻阅相关资料详细了解）：
   

10.说说 STL 中 resize 和 reserve 的区别

参考回答

1. 首先必须弄清楚两个概念：
   （1）capacity：该值在容器初始化时赋值，指的是容器能够容纳的最大的元素的个数。还不能通过下标等访问，因为此时容器中还没有创建任何对象。
   （2）size：指的是此时容器中实际的元素个数。可以通过下标访问0-(size-1)范围内的对象。
2. resize和reserve区别主要有以下几点：
   （1）resize既分配了空间，也创建了对象；reserve表示容器预留空间，但并不是真正的创建对象，需要通过insert（）或push_back（）等创建对象。
   （2）resize既修改capacity大小，也修改size大小；reserve只修改capacity大小，不修改size大小。
   （3）两者的形参个数不一样。 resize带两个参数，一个表示容器大小，一个表示初始值（默认为0）；reserve只带一个参数，表示容器预留的大小。
   答案解析
   问题延伸：
   resize 和 reserve 既有差别，也有共同点。两个接口的共同点是它们都保证了vector的空间大小(capacity)最少达到它的参数所指定的大小。下面就他们的细节进行分析。
   为实现resize的语义，resize接口做了两个保证：
   （1）保证区间[0, new_size)范围内数据有效，如果下标index在此区间内，vector[indext]是合法的；
   （2）保证区间[0, new_size)范围以外数据无效，如果下标index在区间外，vector[indext]是非法的。
   reserve只是保证vector的空间大小(capacity)最少达到它的参数所指定的大小n。在区间[0, n)范围内，如果下标是index，vector[index]这种访问有可能是合法的，也有可能是非法的，视具体情况而定。
   以下是两个接口的源代码：

void resize(size_type new_size)
{
resize(new_size, T());
}
void resize(size_type new_size, const T& x)
{
if (new_size < size())
erase(begin() + new_size, end()); // erase区间范围以外的数据，确保区间以外的数
据无效
else
insert(end(), new_size - size(), x); // 填补区间范围内空缺的数据，确保区间内的
数据有效
}
#include<iostream>
#include<vector>
using namespace std;
int main()
{
  vector<int> a;
  cout<<"initial capacity:"<<a.capacity()<<endl;
  cout<<"initial size:"<<a.size()<<endl;
  /*resize改变capacity和size*/
  a.resize(20);
  cout<<"resize capacity:"<<a.capacity()<<endl;
  cout<<"resize size:"<<a.size()<<endl;
  vector<int> b;
  /*reserve改变capacity,不改变resize*/
  b.reserve(100);
  cout<<"reserve capacity:"<<b.capacity()<<endl;
  cout<<"reserve size:"<<b.size()<<endl;
return 0;
}
/*  
运行结果：
initial capacity:0
initial size:0
resize capacity:20
resize size:20
reserve capacity:100
reserve size:0
*