C++ 學習筆記：STL 容器一些底層機制

1、vector 容器

vector 的數據安排以及操作方式，與 array 非常相似。兩者的唯一區別在於空間的運用的靈活性。array 是靜態空間，一旦配置了就不能改變，vector 是動態數組。在堆上分配空間。vector 是動態空間，隨着元素的加入，它的內部機制會自行擴充空間以容納新元素（有保留內存，如果減少大小後內存也不會釋放。如果新值>當前大小時纔會再分配內存，這大大影響了 vector 的效率，）。因此，vector 的運用對於內存的合理利用與運用的靈活性有很大的幫助，我們再也不必因爲害怕空間不足而一開始要求一個大塊的 array。

vector 動態增加大小，並不是在原空間之後持續新空間（因爲無法保證原空間之後尚有可供配置的空間），而是以原大小的兩倍另外配置一塊較大的空間，然後將原內容拷貝過來，然後纔開始在原內容之後構造新元素，並釋放原空間。因此，對 vector 的任何操作，一旦引起空間重新配置，同時指向原vector 的所有迭代器就都失效了。

對最後元素操作最快（在後面添加刪除最快），此時一般不需要移動內存。對中間和開始處進行添加刪除元素操作需要移動內存。如果你的元素是結構或是類,那麼移動的同時還會進行構造和析構操作，所以性能不高（最好將結構或類的指針放入 vector 中，而不是結構或類本身，這樣可以避免移動時的構造與析構）。訪問方面，對任何元素的訪問都是 O(1)，也就是常數時間的。 

總結：

 vector 常用來保存需要經常進行隨機訪問的內容，並且不需要經常對中間元素進行添加刪除操作。

2、list 容器

相對於 vector 的連續空間，list 就顯得複雜許多，它的好處是每次插入或刪除一個元素，就配置或釋放一個元素空間，元素也是在堆中。因此，list 對於空間的運用有絕對的精準，一點也不浪費。而且，對於任何位置的元素插入或元素移除，永遠是常數時間。STL 中的list 底層是一個雙向鏈表，而且是一個環狀雙向鏈表。這個特點使得它的隨即存取變的非常沒有效率，因此它沒有提供 [] 操作符的重載。

總結：

如果你喜歡經常添加刪除大對象的話，那麼請使用 list；
要保存的對象不大，構造與析構操作不復雜，那麼可以使用 vector 代替。
list<指針> 完全是性能最低的做法，這種情況下還是使用 vector<指針> 好，因爲指針沒有構造與析構，也不佔用很大內存

3、deque 容器

deque 是一種雙向開口的連續線性空間，元素也是在堆中。所謂雙向開口，意思是可以在隊尾兩端分別做元素的插入和刪除操作。deque 和 vector 的最大差異，一在於 deque 允許於常數時間內對起頭端進行元素的插入或移除操作，二在於deque沒有所謂容量觀念，因爲它是動態地以分段連續空間組合而成，隨時可以增加一段新的空間並鏈接在一起。換句話說，像 vector 那樣“因舊空間不足而重新配置一塊更大空間，然後複製元素，再釋放舊空間”這樣的事情在 deque 是不會發生的。它的保存形式如下:

[堆1] --> [堆2] -->[堆3] --> ...

deque 是由一段一段的定量連續空間構成。一旦有必要在 deque 的前端或尾端增加新空間，便配置一段定量連續空間，串接在整個 deque 的頭端或尾端。deque 的最大任務，便是在這些分段的定量連續空間上，維護其整體連續的假象，並提供隨機存取的接口。避開了“重新配置，複製，釋放”的輪迴，代價則是複雜的迭代器架構。因爲有分段連續線性空間，就必須有中央控制器，而爲了維持整體連續的假象，數據結構的設計及迭代器前進後退等操作都頗爲繁瑣。

deque 採用一塊所謂的 map 作爲主控。這裏的 map 是一小塊連續空間，其中每個元素都是指針，指向另一段連續線性空間，稱爲緩衝區。緩衝區纔是 deque 的存儲空間主體。（ 底層數據結構爲一箇中央控制器和多個緩衝區）SGI STL 允許我們指定緩衝區大小，默認值 0 表示將使用 512 bytes 緩衝區。

支持[]操作符，也就是支持隨即存取，可以在前面快速地添加刪除元素，或是在後面快速地添加刪除元素，然後還可以有比較高的隨機訪問速度和vector 的效率相差無幾。deque 支持在兩端的操作：push_back,push_front,pop_back,pop_front等，並且在兩端操作上與 list 的效率也差不多。
在標準庫中 vector 和 deque 提供幾乎相同的接口，在結構上區別主要在於在組織內存上不一樣，deque 是按頁或塊來分配存儲器的，每頁包含固定數目的元素；相反 vector 分配一段連續的內存，vector 只是在序列的尾段插入元素時纔有效率，而 deque 的分頁組織方式即使在容器的前端也可以提供常數時間的 insert 和 erase 操作，而且在體積增長方面也比 vector 更具有效率。

總結：

vector 是可以快速地在最後添加刪除元素，並可以快速地訪問任意元素；
list 是可以快速地在所有地方添加刪除元素，但是隻能快速地訪問最開始與最後的元素；

deque 在開始和最後添加元素都一樣快，並提供了隨機訪問方法，像vector一樣使用 [] 訪問任意元素，但是隨機訪問速度比不上vector快，因爲它要內部處理堆跳轉。deque 也有保留空間。另外，由於 deque 不要求連續空間，所以可以保存的元素比 vector 更大，這點也要注意一下。還有就是在前面和後面添加元素時都不需要移動其它塊的元素，所以性能也很高。

因此在實際使用時，如何選擇這三個容器中哪一個，應根據你的需要而定，一般應遵循下面的原則：

1、如果你需要高效的隨即存取，而不在乎插入和刪除的效率，使用 vector；
2、如果你需要大量的插入和刪除，而不關心隨即存取，則應使用 list；

3、如果你需要隨即存取，而且關心兩端數據的插入和刪除，則應使用deque。

4、stack

stack 是一種先進後出（First In Last Out , FILO）的數據結構。它只有一個出口，stack 允許新增元素，移除元素，取得最頂端元素。但除了最頂端外，沒有任何其它方法可以存取stack的其它元素，stack不允許遍歷行爲。
以某種容器（ 一般用 list 或 deque 實現，封閉頭部即可，不用 vector 的原因應該是容量大小有限制，擴容耗時）作爲底部結構，將其接口改變，使之符合“先進後出”的特性，形成一個 stack，是很容易做到的。deque 是雙向開口的數據結構，若以 deque 爲底部結構並封閉其頭端開口，便輕而易舉地形成了一個stack。因此，SGI STL 便以 deque 作爲缺省情況下的 stack 底部結構，由於 stack 系以底部容器完成其所有工作，而具有這種“修改某物接口，形成另一種風貌”之性質者，稱爲 adapter（配接器），因此，STL stack 往往不被歸類爲 container(容器)，而被歸類爲 container adapter。

5、 queue

queue 是一種先進先出（First In First Out,FIFO）的數據結構。它有兩個出口，queue 允許新增元素，移除元素，從最底端加入元素，取得最頂端元素。但除了最底端可以加入，最頂端可以取出外，沒有任何其它方法可以存取 queue 的其它元素。

以某種容器（ 一般用 list 或 deque 實現，封閉頭部即可，不用 vector 的原因應該是容量大小有限制，擴容耗時）作爲底部結構，將其接口改變，使之符合“先進先出”的特性，形成一個 queue，是很容易做到的。deque 是雙向開口的數據結構，若以 deque 爲底部結構並封閉其底部的出口和前端的入口，便輕而易舉地形成了一個 queue。因此，SGI STL 便以 deque 作爲缺省情況下的 queue 底部結構，由於 queue 系以底部容器完成其所有工作，而具有這種“修改某物接口，形成另一種風貌”之性質者，稱爲 adapter（配接器），因此，STL queue 往往不被歸類爲container(容器)，而被歸類爲 container adapter。

stack 和 queue 其實是適配器，而不叫容器，因爲是對容器的再封裝。

6、heap

heap 並不歸屬於 STL 容器組件，它是個幕後英雄，扮演 priority queue（優先隊列）的助手。priority queue 允許用戶以任何次序將任何元素推入容器中，但取出時一定按從優先權最高的元素開始取。按照元素的排列方式，heap 可分爲 max-heap 和 min-heap 兩種，前者每個節點的鍵值(key)都大於或等於其子節點鍵值，後者的每個節點鍵值(key)都小於或等於其子節點鍵值。因此， max-heap 的最大值在根節點，並總是位於底層array或vector的起頭處；min-heap 的最小值在根節點，亦總是位於底層array或vector起頭處。STL 供應的是 max-heap，用 C++ 實現。
堆排序 C++ 語言實現：點擊這裏。

7、priority_queue

priority_queue 是一個擁有權值觀念的 queue，它允許加入新元素，移除舊元素，審視元素值等功能。由於這是一個 queue，所以只允許在底端加入元素，並從頂端取出元素，除此之外別無其它存取元素的途徑。priority_queue 帶有權值觀念，其內的元素並非依照被推入的次序排列，而是自動依照元素的權值排列（通常權值以實值表示）。權值最高者，排在最前面。缺省情況下 priority_queue 系利用一個 max-heap 完成，後者是一個以vector 表現的 complete binary tree.max-heap 可以滿足 priority_queue 所需要的“依權值高低自動遞減排序”的特性。
priority_queue 完全以底部容器（一般爲vector爲底層容器）作爲根據，再加上 heap 處理規則，所以其實現非常簡單。缺省情況下是以 vector 爲底部容器。queue 以底部容器完成其所有工作。具有這種“修改某物接口，形成另一種風貌“”之性質者，稱爲 adapter(配接器)，因此，STL priority_queue 往往不被歸類爲 container(容器)，而被歸類爲 container adapter。

8、set 和 multiset 容器

set 的特性是，所有元素都會根據元素的鍵值自動被排序。set 的元素不像 map 那樣可以同時擁有實值(value)和鍵值(key)，set 元素的鍵值就是實值，實值就是鍵值，set不允許兩個元素有相同的值。set 底層是通過紅黑樹（RB-tree）來實現的，由於紅黑樹是一種平衡二叉搜索樹，自動排序的效果很不錯，所以標準的 STL 的 set 即以 RB-Tree 爲底層機制。又由於 set 所開放的各種操作接口，RB-tree 也都提供了，所以幾乎所有的 set 操作行爲，都只有轉調用 RB-tree 的操作行爲而已。

multiset的特性以及用法和 set 完全相同，唯一的差別在於它允許鍵值重複，因此它的插入操作採用的是底層機制是 RB-tree 的 insert_equal() 而非 insert_unique()。

9、map 和 multimap 容器

map的特性是，所有元素都會根據元素的鍵值自動被排序。map 的所有元素都是 pair，同時擁有實值（value）和鍵值（key）。pair 的第一元素被視爲鍵值，第二元素被視爲實值。map不允許兩個元素擁有相同的鍵值。由於 RB-tree 是一種平衡二叉搜索樹，自動排序的效果很不錯，所以標準的STL map 即以 RB-tree 爲底層機制。又由於 map 所開放的各種操作接口，RB-tree 也都提供了，所以幾乎所有的 map 操作行爲，都只是轉調 RB-tree 的操作行爲。

multimap 的特性以及用法與 map 完全相同，唯一的差別在於它允許鍵值重複，因此它的插入操作採用的是底層機制 RB-tree 的 insert_equal() 而非 insert_unique。 

10、hash_set 和 hash_multiset 容器

hash_set 底層數據結構爲 hash 表，無序，不重複。

hash_multiset 底層數據結構爲 hash 表，無序，不重複。 

11、hash_map 和 hash_multimap 容器

hash_map 底層數據結構爲 hash 表，無序，不重複。

hash_multimap 底層數據結構爲 hash 表，無序，不重複。 

參考這個地方和這個地方還有這個地方