关于C++STL的总结（基础使用和底层原理）

news2024/12/22 19:29:02

STL是什么？

STL即（Standard Template Library）标准模板库，提供了常见的数据结构和算法函数等，其下共包含六大组件：

容器
算法
迭代器
仿函数
适配器
空间配置器

本篇重点介绍容器的使用和简单的底层实现原理，其它的部分简略带过
六大组件互相的关系大致如下图：
在这里插入图片描述

容器

容器即是存储数据的类模板，本质即是封装了常用的数据结构，主要可以分为两类：

序列式容器
关联式容器将相同类型的元素以有序的方式线性组织起来，如下：
1. vector：动态数组，支持快速的随机访问
2. deque：双端队列，支持快速插入和删除
3. list：双向循环链表，支持快速插入和删除，但不支持随机访问
关联式容器
1. set/multiset：集合/多重集合(key形式)
2. map/multimap：映射/多重映射(key-value形式)
3. unordered_set/unordered_multiset：无序集合/无序多重集合
  unordered_map/unordered_multimap：无序映射/无序多重映射（哈希表）

还有些常见的“容器”，如stack/queue和priority_queue，这些则是属于容器适配器的组件，它们是在基本容器（vector，deque等）之上提供特定接口的适配器

迭代器

什么是迭代器？迭代器本质就是用于遍历和操作容器中的元素的一种工具，它提供了访问容器元素的方法，可以简单理解为数组名（即指针）
为什么需要迭代器？迭代器最重要的意义是提供了一种统一的方式来操作容器中的元素，无需在意元素类型，底层数据结构实现细节，都通过迭代器来进行访问
迭代器的类型大致分为以下五种：

单向迭代器：仅支持++操作（forward_list）
双向迭代器：仅支持++和–操作(list)
随机访问迭代器：支持+和-的操作(deque、vector)
反向迭代器：即与正向迭代器相反的操作的迭代器
常量迭代器：不支持修改的迭代器

不同的迭代器只是性质不一样，但使用起来时都是相同的使用iterator进行操作，iterator底层的实现可能是指针，也可能是封装的其它数据结构，如list的迭代器封装的即是链表节点，无论封装的什么，都是为了统一访问元素的方式

算法、仿函数

算法和仿函数即是为了方便C++开发，提前写好的一些常用算法和“函数”，便于使用
算法常见的即sort，swap，max/min等，详情可以去看官方文档，重点说一下仿函数

什么是仿函数？
仿函数又被称为函数对象，本质是一个类，重载了函数调用运算符operator()，使得这个类的对象可以像函数一样被调用，故此又称仿函数

常见的即自定义Compare比较类，实例如下（实际中可以提供更多样不同的类型的比较）

class Compare {
public:
    bool operator()(int num1, int num2) {
        return num1 < num2;
    }
};

int main() {
    Compare cmp;
    std::cout << cmp(1, 2) << std::endl;  
   	sort(v.begin(), v.end(), Compare());
	sort(v.begin(), v.end(), greater<int>());
	for(auto i : v){
		cout << i << endl;
	}
	sort(v.begin(), v.end(), less<int>());
	for(auto i : v){
		cout << i << endl;
	}
    return 0;
}

实例中的less和greater即是functional中为我们提供的仿函数类，一般都是用于sort等函数的函数比较器使用

适配器和空间配置器

适配器

在C++的STL中，适配器是一种设计模式，它的目的是使得原本接口不兼容的类可以一起工作。在STL中，适配器主要有三种类型：

容器适配器：容器适配器是一个封装了序列容器的类模板，它在一般序列容器的基础上提供了一些不同的功能²。例如，stack是一个封装了deque容器的适配器类模板，默认实现的是一个后入先出（Last-In-First-Out，LIFO）的压入栈⁴。queue和stack大同小异，只是开放的函数是符合先进先出（FIFO）原则的函数。
函数对象适配器：函数对象适配器可以将一般迭代器的赋值（assign）操作，转化为插入（insert）操作²。有专司头端插入的front_insert_iterator，专司尾部插入的back_insert_iterator，还有就是insert_iterator，其可以实现从任意位置执行插入操作。
迭代器适配器：迭代器适配器可以将迭代器绑定到一个stream（数据流）对象身上。绑定到istream对象（例如std::cin）者，称为istream_iterator，拥有输入能力；绑定到ostream对象（例如std::cout）者，称为ostream_iterator，拥有输出能力。

空间配置器

C++的STL中的空间配置器是一个非常重要的组件，它负责内存的配置和管理。空间配置器的存在可能平常并不太能感知到，但其为STL的操作对象提供了存储空间（内存池）。

什么是空间配置器？
空间配置器是一个实现了动态空间配置、空间管理、空间释放的class template。它的主要任务是为STL容器分配和释放内存。

为什么需要空间配置器？
空间配置器的存在可以帮助我们更有效地管理内存。它可以解决小块内存频繁申请释放带来的性能问题，以及小块内存带来的内存碎片问题。

空间配置器是如何工作的？
STL的空间配置器有两级：第一级配置器和第二级配置器。

第一级配置器：当配置区块大于128bytes时，将其视作足够大，直接使用malloc和free。
第二级配置器：当配置区块小于128bytes时，将其视作过小，为降低额外负担，采用内存池的管理方式。内存池的思想是一次向heap申请一块很大的内存，如果申请小块内存的话就直接到内存池中去要。

在STL中，空间配置器的基本操作包括：