C++标准模板库STL深入讲解
认识STL
STL的概述
STL采用泛型思想,把C中所用到的所有的数据结构,按照一定的标准,全部封装成了一个个类模板。也被称为数据容器。
STL就是用来解决容器中数据元素的操作的问题的。并且他按排标准统一封装了操作容器元素的算法,即一个个的函数模板。
为了配合统一的算法去操作不同的容器,他又按标准统一封装了不同的迭代器,即一个个不同类型的具有指针特性的类模板。
所以容器,算法,迭代器是整个STL的核心。
三者的关系如图所示:

有了统一的数据结构,即容器,有了统一的算法,每一个容器都使用各自的不同的迭代器,从而实现了对数据结构元素的标准操作。
STL标准模板库都有什么
STL的知识结构如图:

容器
- 常用的数据结构,C++重新封装成了 vector(动态数组),list(链表),deque(双向队列),set(集合) ,map(映射表)等,来实现存放数据,其中 set,map双叫关联容器 。其中的栈,单端队列,优先队列,又都是线性数据结构改造之后的具有各种特性的数据结构,又叫做容器适配器。
- 序列式容器强调值的排序,序列式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。vector容器,deque容器,List容器等。
- 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入容器时的逻辑顺序 。关联式容器另一个显著特点是:在值中选择一个值作为关键字Key,这个关键字对值起到了索引的作用,方便查找。Set/mulitiset容器 Map/multimap容器,并且容器是可以嵌套使用的。
算法
algorithom头文件中的定义相关的操作的一系列的函数模板
STL收录的算法经过了数学上的效能分析与证明,且是经过商业运行考验过的,是极具复用价值 的,包括常用的排序,查找等。
算法又可为为两种,质变算法,与非质变算法。
何为质变算法:是指运算过程中会更改区间内的元素的内容。例如:拷贝,替换,删除等。
何为非质变算法:是指运算过程中不会更改区间内的元素内容,例如:查找,计数,遍历,寻找极值等。
迭代器
迭代器的设计思维-STL 的关键所在,STL 的中心思想在于将容器(container)和算法(algorithms)分开,彼此独立设计,最后再一贴胶着剂将他们撮合在一起。从技术角度来看,容器和算法的泛型化并不困难,c++的 class template 和 functiontemplate 可分别达到目标,如果设计出两这个之间的良好的胶着剂,才是大难题
提供一种方法,使之能够依序寻访某个容器所含的各个元素,而又无需暴露该容器的内部表示方式,迭代器就被发明了出来。

函数符
在STL中主要用来为泛型算法提供策略。
有四种形式:全局函数指针,成员函数指针,仿函数(函数对象),与匿名函数Lambda表达式。
空间配置器
作用:主是用来解决内存碎片化问题的,以及过多的构造无用对象的问题。
容器的空间配置器的作用是把对象的内存开辟和构造过程分开,对象析构和内存释放分离开 。那为什么要把对象的内存开辟和构造(new的两个作用)分开,对象的析构和内存释放(delete的两个作用)分开呢?
1)因为在使用容器的过程中,构造一个容器,我们只想要容器的内存空间,并不需要给我们在内存上构造一堆无用的对象出来(直接用new没有办法避免这个问题);当从容器中删除一个元素的时候,我们需要析构这个被删除对象,但是它占用的容器内存空间是不能释放的,因为容器还要使用;再比如我们需要释放一个容器的时候,需要先把容器里面有效对象元素析构一遍,而不是把容器所有元素都析构一遍(用delete无法避免这个问题),所以在操作容器的过程中,我们需要有选择性的分别去开辟内存,构造对象,析构对象,所以这就是空间配置器存在的意义。
C++ 标准STL里面提供的allocator空间配置器,默认的内存分配和释放就是依赖malloc和free实现的。SGI STL提供了两个版本的空间配置器,一级空间配置器和二级空间配置器。一级空间配置器的内存管理也是通过malloc和free实现的,但是SGI STL的二级空间配置器提供了一个内存池的实现。第二级配置器的设计思想为:
1.如果配置区块超过128 bytes,则移交给第一级配置器处理(空间配置器);
2.如果配置区块小于128 bytes,则采用内存池管理(memory pool)。每次配置一大块内存,则维护对应的自由链表(free-list),下次若再有相同大小的内存需求,就直接从 free-list 中拨出(没有就继续配置内存,具体后面讲述),如果客端释换小额区块,就有配置器回收到 free-list 中。
对于SGI STL的二级空间配置器的内存池实现机制,还是非常重要的,因为这既涉及了空间配置器,又涉及了一个内存池的实现机制,因此大家需要好好的理解它的原理,大家在手写C++空间配置器的过程中,使用过nginx的内存池作为空间配置器的内存管理方案,这又是一个新的积累。
string字符容器库
字符串容器API接口:
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vector容器
vector容器于array数组容器的区别
vector与array无乎是一样的,连续的存储结构,两者的唯一的区别在于在空间上的灵活,数组需要提前指定长度,不量确定了就不能发生改变了,比较死板,不够灵活。比如出现拷贝长度大于了给定的空间,需要再重新定义一个足够空间的大小,然后把旧空间的内容再一个个拷贝到新的空间,非常麻烦。
c++11引入array主要是用来描述一种支持迭代器的C风格数组的,所以数组怎么用,array就怎么用,他定义在栈上,且长度固定不会涉及动态内存的开辟所以没有push_back,pop_back的相关方法,但是Vector这种动态的数组在开发更为常用,他底层对象在堆上,且长度是可变的。

vector容器是动态空间,他随着元素的加入,它的内部机制会自动扩充空间以容纳新的元素。vector的运用对于内存的合理利用与运用的灵活性有很大的帮助。我们再也不必害怕空间不足而一开始就定义一个巨大的数组了。
实现分析:

空间分配策略
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迭代器非法化问题及解决
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泛型算法
泛型算法 = 函数模板 + 迭代器范围(注意迭代器的类型) + 函数符(策略使用)
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sort:
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binary_find:
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find&&find_if&&bind1st(绑定第一个参数)&&bind2nd(绑定第二个参数)&&bind(新式绑定器):
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迭代器与空间配置器

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deque容器


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容器适配置
容器适配器是没有迭代器的,不能实现泛型算法
使用deque容器实现一个stack
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实现一个单端队列
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优先队列
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list容器

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set容器
Set特性是:所有元素都会根据元素的键值自动被排序。(set 与 map都会按照键值来自动排序,只不过set的键与值是一体的相同的)Set的元素不像map那样,可以同时拥有实值与键值,set的元素即是键值又是实值。(你也可以理解为只有一个值,键与值相同)Set不允许两个元素有相同的键值。(即然是自动排序,set与map是不允许有相同的键的存在。这一点与map是共同的。),而multiset是可以存相同键值的元素。(这是set与multiset的唯一区别。)。
所以set容器的迭代器是一个常双向迭代器,只支持什么:++,–,==,!=的操作。
我们可以通过set的迭代器改变set元素的值吗?不行,因为set元素值就是其键值,关系到set元素排序规则,如果任意改变set元素值,会严重破坏set组织结构。换句话说,set的迭代器是一个只读迭代器。
set容器拥有与list某些相同的性质,当对容器中的元素进行插入操作或者删除操作的时候,操作之前所有迭代器,在操作完成之后依
multiset的底层实现是红黑树,红黑树是平衡二叉树的一种。二叉树的相关知识点可以百度一下。
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multiset与set
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map容器
对组pair构建方式:
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Map容器的特性是:所有元素都会根据元素的键的值自动排序。Map所有的元素都是统一的pair对组,同时拥有键值Key实值Value,pair的第一元素被视为键值,第二个元素被视为实值,map不允许两个元素有相同的键。
我们可以通过map迭代器改变map的键值吗?答案是不行,因为map的键值关系到map的元素的排列布局,Map中的键是不可修改的,但是键对应的值是可以修改的。
所以Map的迭代器是一个双向迭代器,只支持++ == !=操作。
Map是可以随时插入或删除键值对的。
Map与multimap的唯一区别是multimap中的键是可以重复的。
Map的底层实现机制是由二叉树中的红黑树进行实现的。
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