STL剖析(二)：容器底层数据结构及常见用法-创新互联

一.概述

本文主要聚焦于STL容器，STL完整的容器分类体系如下所示，下文将逐一对各个容器底层的数据结构以及常见用法进行介绍。

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测试环境：Ubuntu 22.04 g++ 11.3.0

二.顺序容器

顺序容器都对应着线性数据结构。

2.1 array

array的使用需要引入头文件，它表示固定大小的数组，与C风格的数组一致。在定义array时，需要指定类型T和数组大小N，即array，array创建及常见用法如下：

#include#include 

using namespace std;

int main()
{arrayarr1;
    // 对array填充特定的值
    arr1.fill(5); // arr1: {5, 5, 5}
    // 遍历数组方式一
    for (int a : arr1) {cout<< a<< " ";
    }
    cout<< endl; // 5 5 5
    //遍历数组方式二
    for (auto it = arr1.begin(); it != arr1.end(); it++) {cout<< *it<< " ";
    }
    cout<< endl; // 5 5 5

    // 定义时指定初值
    arrayarr2 = {2, 5, 4};
    // 交换两个数组的内容，前提是类型和数组大小都要相同
    arr1.swap(arr2); // arr1: {2, 5, 4}, arr2: {5, 5, 5}
    // 对数组进行排序

    arrayarr3 = {3.14, 2.56 };
    // 获取数组的大小
    cout<< arr3.size()<< endl; // 2
    // 获取数组的第一个元素元素
    cout<< arr3.front()<< endl; // 3.14
    // 获取数组的最后一个元素
    cout<< arr3.back()<< endl; // 2.56
    // 获取数组的首地址
    cout<< arr3.data()<< endl;

    return 0;
}

2.2 vector

vector表示动态数组，同array一样，vector中的元素也是连续存储在内存中的，但vector的大小是可变的。在使用vector时需要引入头文件，一般而言使用vector时仅需要指定数据类型T即可。

需要注意的是，vector并不是每添加一个元素就分配一次新的存储空间，实际上，当vector分配的容量全部填满元素后再添加新元素时，vector的分配器会重新分配两倍容量的新空间，然后将元素挪过去。vector示意图如下：

图源自侯捷老师的《STL源码剖析》，侵权删。

注意：各家C++的实现可能略有区别，上述的重新分配规则不一定适用，但可以确定的是vector分配容量时一般都要未雨绸缪，即容量要比实际大小更大，否则需要重新分配。

vector的创建及常见用法示例如下：

#include#includeusing namespace std;

int main()
{// 创建空vector
    vectorarr1;
    // vector末端插入元素
    arr1.push_back(1);
    arr1.push_back(3);
    arr1.push_back(5);
    arr1.push_back(7);
    arr1.push_back(9);

    // 创建时指定初值
    vectorarr2 = {1,2,3 };

    // 创建时指定大小和默认值
    vectorarr3(3, 5); // arr3: {5, 5, 5}

    // 遍历方式一
    for (int a : arr1) {cout<< a<< " ";
    }
    cout<< endl; // 1 3 5 7 9 

    // 遍历方式二
    for (auto it = arr2.begin(); it != arr2.end(); it++) {cout<< *it<< " ";
    }
    cout<< endl; // 1 2 3

    // 索引vector元素
    cout<< arr1[1]<< endl; // 3
    // 获取vector的第一个和最后一个元素
    cout<< arr2.front()<< " "<< arr2.back()<< endl; // 1 3

    // 判断数组是否为空
    cout<< arr1.empty()<< endl; // 0

    // 获取数组的大小和实际容量
    cout<< arr1.size()<< " "<< arr1.capacity()<< endl; // 5 8
    // 测试是否2倍扩张容量
    int n = 4;
    for (int i = 0; i< n; i++)
        arr1.push_back(i);
    cout<< arr1.size()<< " "<< arr1.capacity()<< endl; // 9 16

    // 清空vector的元素
    arr1.clear();
    // 插入元素，需要通过迭代器指定位置
    arr3.insert(arr3.begin(), 0); // arr3: {0, 5, 5, 5}
    // 删除vector末端的元素
    arr3.pop_back(); // arr3: {0, 5, 5}
    // 删除vector指定位置的元素，需要通过迭代器指定位置
    arr3.erase(arr3.begin());
    return 0;
}

注：对于vector，索引任意位置的元素的时间复杂度为 O ( 1 ) O(1) O(1)，往末端插入或删除末端元素的时间复杂度为 O ( 1 ) O(1) O(1)，往其它位置插入或删除其它位置元素的时间复杂度为 O ( n ) O(n) O(n)。

2.3 deque

deque表示双向队列，是一种双向开口的"连续"空间。要使用deque需要引入头文件，并指定数据类型T。

连续只是用户看起来，实际deque的存储并非连续的，而是由一系列单独分配的固定大小的数组组成，另外，deque中还需要记录模块（中控器）来维护记录各个段的信息。

与vector比起来，deque的扩展更廉价，因为它不涉及将现有元素复制到新的内存位置。deque的示意图如下所示，其中map便是中控器，其中每个元素都指向一段连续的空间，称之为缓冲区，缓冲器才是用来存储数据的。从下图可以看出，deque还需要维护start和finish两个迭代器，分别指向第一缓冲区的第一个元素和最后缓冲区的最后一个元素。此外，这两个迭代器还需要指向map，否则无法在不同的缓冲区间转移。

图源自stackoverflow: What really is a deque in STL?

deque的创建以及常见用法示例如下：

#include#includeusing namespace std;

int main()
{dequed = {1, 3, 5, 8, 10};
    //在deque开头插入元素
    d.push_front(0); // d: {0,1,3,5,8,10}
    // 删除deque开头的元素
    d.pop_front(); // d: {1,3,5,8,10}
    // 在deque结尾插入元素
    d.push_back(7); // d: {1,3,5,8,10,7}
    //删除deque结尾处的元素
    d.pop_back(); // d: {1,3,5,8,10}
    
    // 在指定位置插入元素，会返回一个指向插入元素的迭代器
    auto it = d.begin();
    it++;
    it = d.insert(it, 11); // d: {1,11,3,5,8,10}
    for (; it != d.end();it++)
    {cout<< *it<< " ";
    }
    cout<< endl; // {11,3,5,8,10}
    // 删除指定范围的元素
    d.erase(d.begin() + 2, d.begin() + 5); // {1,11,10}

    //获取deque开头和结尾的元素
    cout<< d.front()<< " "<< d.back()<< endl; // 1 10
    // 获取deque的大小
    cout<< d.size()<< endl; // 3
    
    return 0;
}

注：deque在开头和结尾可以进行元素的快速插入和删除。

2.4 list

list表示环形双向链表，链表大的特点的大小可变且存储非连续。要使用list需要引入头文件，创建对象时需要传入数据类型T。

STL中list节点结构示意图如下图所示，其中包含两个指针prev和next分别指向当前节点的前一个和后一个节点，data存储当前节点的数据。

图源自侯捷老师的《STL源码剖析》，侵权删。

基于节点的结构，list的可视化示意图如下所示，可以看到，由于环状要求，还需要一个空白节点（红框标记）。

list的创建与常见用法如下所示：

#include#include#include 

using namespace std;

int main()
{// 创建list并初始化
    listl = {3, 5, 7, 9};
    // 在list前面添加一个数值为1的节点
    l.push_front(1);
    // 在list后面添加一个数值为11的节点
    l.push_back(11);

    // 遍历链表
    for(int a:l){cout<< a<< " ";
    }
    cout<< endl; // 1 3 5 7 9 11

    // 删除链表头的元素
    l.pop_front(); // l: {3,5,7,9,11}
    // 删除链表尾的元素
    l.pop_back(); // l:{3,5,7,9}
    // 寻找链表中大于6的第一个元素
    auto it = upper_bound(l.begin(), l.end(), 6);
    // 链表中插入元素
    if(it != l.end())
        l.insert(it, 6); // l: {3,5,6,7,9}
    // 删除满足某些特殊条件的元素
    l.remove_if([](const int x)
                {return x< 5;
    }); // l: {5,6,7,9}
    // 删除值等于某个特定值的元素
    l.remove(7); // l:{5,6,9}

    listl1 = {3, 1, 7, 10};
    // 对链表进行排序
    l1.sort(); // l1: {1,3,7,10}
    // 归并两个有序链表
    l.merge(l1); // l:{1,3,5,6,7,9,10}
    //对链表进行逆序
    l.reverse(); // l:{10,9,7,6,5,3,1}

    // 获取链表的大小
    cout<< l.size()<< endl; // 7
    // 获取链表头的元素
    cout<< l.front()<< endl; // 10
    // 获取链表尾的元素
    cout<< l.back()<< endl; // 1
    return 0;
}

注：list插入和和删除元素的时间复杂度为 O ( 1 ) O(1) O(1)。

2.5 forward_list

foward_list为单向链表，其行为与list类似，只不过只能单向访问。要使用forward_list需要引入头文件，创建对象时需要指定数据类型参数T。

forward_list的示意图如下所示：

forward_list的创建与常见用法如下所示：

#include#includeusing namespace std;

int main()
{// 创建对象并初始化
    forward_listl = {2, 4, 6, 8};
    // 在链表开头插入一个元素
    l.push_front(0); // l {0,2,4,6,8}
    // 删除链表头的元素
    l.pop_front(); // {2,4,6,8}
    // 在链表中指定位置后插入元素，位置通过迭代器来指定
    auto it = l.begin();
    it++;
    l.insert_after(it, 10); // {2,4,10,6,8}
    return 0;
}

forward_list的好多操作与list类似，这里不做重复赘述。

三.关联容器

关联容器底层的数据结构是红黑树。

3.1 红黑树

红黑树是一种平衡二叉搜索树，其示意图如下所示：

红黑树需要满足如下规则：

• 每个节点不是红色就是黑色。
• 根节点需为黑色。
• 红节点的子节点不能为红色。
• 任一节点至NULL（树尾端）的任何路径所包含的黑色节点数须相同。

当新节插入时，若未符合上述规则，则需要调整颜色并旋转树形，使得其仍然是保持上述性质的平衡二叉搜索树。

红黑树中节点是有序的，即每个节点的左子树中各个节点的值都小于根节点，右子树中所有节点的值都大于根节点。

红黑树的插入、删除和查找操作的时间复杂度都是 O ( log N ) O(\text{log}N) O(logN)。

限于篇幅，本文不对红黑树进行展开讲解，后续将会写一篇专门的博客来介绍红黑树。

3.2 容器说明

对于set、multiset、map、multimap四种容器，其底层的数据结构都是红黑树，其中：

• set表示集合，其中包含一系列无重复的键（key）。set的使用需要引入头文件，另外还需要指定键的数据类型T和排序准则Compare，注意后者不是必须的，只有当需要自定义键的排序准则时才需要显式指定。
• multiset与set类似，但其可以包含重复的键。
• map表示字典，即map中每个元素是一个键唯一的键值对。map的使用需要引入头文件，另外需要指定键（key）和值（value）的数据类型Key和T，此外其同样可以指定排序准则Compare。
• multimap与map类似，但其允许键值对的键重复。

上述四种容器中，set和map用的比较多，下面仅介绍两者的用法。

set的创建和常见用法示例如下：

#include#includeusing namespace std;

int main()
{// 创建并初始化，注意set会自动去重
    sets = {1, 3, 3, 5, 5};
    cout<< s.size()<< endl; // 3
    // 插入元素
    s.insert(7); // s: {1,3,5,7}
    // 删除指定位置的元素
    s.erase(s.begin()); // s: {3,5,7}
    // 删除特定的键
    s.erase(7); // s:{3,5}
    // 寻找集合中特定的key的数量（非1即0）
    cout<< s.count(3)<< " "<< s.count(7)<< endl; // 1 0

    s.insert(8);
    s.insert(0);
    s.insert(4); // s: {0,3,4,5,8}
    // 返回第一个不小于给定键的元素的迭代器
    auto it = s.lower_bound(6);
    if(it != s.end())
        cout<< *it<< endl; // 8
    // 返回第一个大于给定键的元素的迭代器
    it = s.upper_bound(2);
    if(it !=s.end())
        cout<< *it<< endl; // 3
    return 0;
}

map的创建和常见用法示例如下：

#include#include

注：map中存在很多查找操作与set类似，故没有重复介绍。

四.无序关联容器

无序关联容器底层的数据结构是哈希表。

4.1 哈希表

哈希表（散列表）在插入、删除、查找等操作上具有平均复杂度为 O ( 1 ) O(1) O(1)，其数据结构示意图如下：

图源：hast-table

假定数组有 m m m个桶（bucket），哈希表通过哈希函数（hash function）计算key映射到索引（哈希代码），然后将元素放置到索引对应的桶。

但使用哈希函数可以回带来一个问题，哈希碰撞，即不同的元素被映射到相同的位置。目前解决哈希碰撞最常见的方法为开链（separate chaining），即数组每个桶都维护一个list，通过哈希函数可以为key分配一个桶，然后可以在桶对应list上进行相应的插入、删除和查找操作，若list足够短，速度仍然是非常快的。

限于篇幅，后面写博客详细介绍。

4.2 容器说明

unordered_set、unordered_multiset、unordered_map和unordered_multimap的底层数据结构都是哈希表，其中

• unordered_set：包含一组唯一的键（key），使用需要引用，并指定键的数据类型。
• unordered_multiset：与unordered_set类似，但键可以重复。使用需要引用。
• unordered_map：包含一组键（key）唯一的键值对，引用需要导入，并指定键和值的数据类型。
• unordered_multimap：与unordered_map类似，但键可以重复。使用需要引用。

注意：上述容器还可以指定哈希函数Hash和判断键是否相等的函数KeyEqual。

上述四种容器中，unordered_set和unordered_map用的比较多，下面仅介绍两者的用法。

unordered_set的创建和常见用法如下所示：

#include#includeusing namespace std;

int main()
{// 创建并初始化
    unordered_setus = {3, 3, 4, 4, 7, 9, 1};
    // 获取元素个数
    cout<< us.size()<< endl; // 5
    // 获取哈希表的桶个数
    cout<< us.bucket_count()<< endl; // 13
    // 判断容器是否为空
    cout<< us.empty()<< endl; // 0
    // 返回特定桶的元素数
    cout<< us.bucket_size(0)<< endl; // 0
    // 返回每个桶的平均元素数
    cout<< us.load_factor()<< endl; // 0.384615

    // 往哈希表中插入元素
    us.insert(10); // us: {}
    auto it = us.find(9);
    if(it != us.end()) // find key!!!
        cout<< "find key!!!"<< endl;
    else
        cout<< "not find"<< endl;

    unordered_setus1 = {11, 8, 9};
    us.merge(us1); // us:{11,8,10,1,9,7,4,3}
    return 0;
}

unordered_map的创建和常见用法如下所示：

#include#includeusing namespace std;

int main()
{unordered_mapgrades = {{"math", 85}, {"chinese", 77}};
    // 插入特定的键与值
    grades["english"] = 90;
    // 插入特定的元素
    grades.insert({"biology", 85.5});
    // 获取特定键对应的值
    cout<< grades["math"]<< endl; // 85
    // 返回特定键的元素个数，非1即0
    cout<< grades.count("phyics")<< " "<< grades.count("math")<< endl; // 0 1
    return 0;
}

unordered_map的好多用法与unordered_set类似，故不重复赘述。

五.容器适配器

容器适配器是依靠其底层容器来完成特定数据结构的功能。

5.1 堆栈

stack是一种先进后出的数据结构，其示意图如下所示：

图源自侯捷老师的《STL源码剖析》，侵权删。

可以看出stack只允许在栈顶进行元素的插入（push）、删除（pop）和获取。（stack不允许遍历行为）

STL中要使用stack，需要引入头文件，并指定栈内数据类型T，stack的默认底层容器为deque。由于deque是双向队列，因此只要将deque的底部结构封闭，便能形成一个栈。

stack的创建以及常见用法为：

#include#includeusing namespace std;

int main()
{stacks;
    // 往栈中插入元素
    s.push(1);
    s.push(3);
    s.push(4);
    s.push(9);
    s.push(10);
    // 获取栈中元素的个数
    cout<< s.size()<< endl; // 5
    // 通过empty()来判断栈是否为空
    while(!s.empty()) // 
    {// 获取栈顶的元素
        cout<< s.top()<< " ";
        // 弹出栈顶的元素
        s.pop();
    }
    cout<< endl; // 10 9 4 3 1

    return 0;
}

5.2 队列

queue是一种先进先出的数据结构，其示意图为：

图源自侯捷老师的《STL源码剖析》，侵权删。

可以看出，queue允许从队首获取元素，从对尾插入元素。（queue不允许遍历行为）

要使用queue，需要引入头文件，并指定队列元素的数据类型T，queue的默认底层容器同样为deque。对于deque，只要封闭其底端的出口和首端的入口，便能轻易形成一个queue。

queue的创建及常见用法如下：

#include#includeusing namespace std;

int main()
{queueq;
    // 往队尾插入元素
    q.push(3);
    q.push(5);
    q.push(4);
    q.push(8);
    q.push(1);
    // 获取队列的大小
    cout<< q.size()<< endl; // 5
    // 通过empty判断队列是否为空
    while(!q.empty()){// 获取队首的元素
        cout<< q.front()<< " ";
        // 弹出队首的元素
        q.pop();
    }
    cout<< endl; // 3 5 4 8 1
    return 0;
}

5.3 优先级队列

priority_queue表示具有元素优先级的队列，其示意图如下：

图源自侯捷老师的《STL源码剖析》，侵权删。

priority_queue的行为与queue类似，都是只能从队尾加入元素，从队首获取元素。另外，由于priority_queue中元素带有优先级，因此其内的元素并非依次按照入队的次序排列，而是按照元素的优先级权值来进行排序，权值高的排在前面。

要使用priority_queue需要引用头文件，并指定元素类型。priority_queue的底层是利用一个大堆（max-heap）完成的，而max-heap是一个以vector表现的完全二叉树。使用大堆，可以满足优先级队列中权值高的排在前面的特性。

注意，priority_queue还可以指定权值大小的比较方法Compare。

大堆中根节点的值都不小于其孩子节点的值。

priority_queue的创建及常见用法如下：

#include#includeusing namespace std;

int main()
{priority_queuepq;
    int n = 10;
    for (int i = 0;i// 往优先级队列中插入元素
        pq.push(rand() % 20);
    }
    // 获取队列大小
    cout<< pq.size()<< endl; // 10
    // 通过empty判断队列是否为空
    while(!pq.empty())
    {// 获取队首元素
        cout<< pq.top()<< " ";
        // 弹出队首元素
        pq.pop();
    }
    cout<< endl; // 17 15 15 13 12 9 6 6 3 1
    return 0;
}

六.参考资料

本文的完成参考了如下资料：

• cppreference.com
• cplusplus.com
• 《STL源码剖析》侯捷著

以上便是本文的全部内容，要是觉得不错可以关注或点赞支持一下，有任何问题也敬请批评指正！！！。

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