【C++】C++中的容器解析

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发布时间：2019-03-05

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顺序容器与关联容器的详细解析

在C++编程中，顺序容器和关联容器是两大核心容器类型，它们各自有不同的特点和应用场景。本文将从基础到应用，全面解析这两种容器的特性、操作方法以及实际应用案例。

1. 顺序容器概述

顺序容器是最基本的C++容器类型，它以数组为基础，支持快速随机访问和元素的连续存储。常见的顺序容器包括vector、deque、list、forward_list和array等。以下是对这些容器的简要介绍：

1.1 顺序容器的种类

vector: 可变大小的数组，支持快速随机访问。在尾部插入或删除元素时性能较低。

deque: 双端队列，支持在头尾位置快速插入和删除元素，且支持快速随机访问。

list: 双向链表，支持在任意位置快速插入和删除元素，但不支持快速随机访问。

forward_list: 单向链表，操作速度与list类似，但不支持双向随机访问。

array: 固定大小的数组，无法插入或删除元素，仅支持随机访问。

1.2 顺序容器的操作

顺序容器支持丰富的操作方法，包括元素的插入、删除、移动和随机访问。需要注意的是，某些操作可能会导致迭代器失效，因此在操作后需要正确重新定位迭代器。

1.2.1 元素的添加与删除

vector和string在尾部插入或删除元素时，可能会分配新的内存空间，导致迭代器失效。

deque在非首尾位置插入或删除元素时，迭代器会失效。

list和forward_list在任何位置插入或删除元素时，迭代器仍然有效。

1.2.2 迭代器的使用

迭代器是访问容器元素的重要工具，但需注意迭代器可能因容器修改操作而失效。例如：
```
vector
     
       v = {7, 5, 16, 8};auto it = v.begin();it = v.insert(it, 200); // 迭代器被重新定位
     
```
需要注意的是，插入或删除操作后，迭代器可能指向无效位置。

1.3 Vector容器的增长机制

为了支持快速随机访问，vector将元素存储为连续的数组。当需要扩展容量时，vector会预分配更多的内存空间，并将现有元素移动到新位置。这种策略在性能上相对较优，但插入或删除操作在尾部时会导致内存分配和移动元素。

1.3.1 容量管理

vector 提供了以下容量管理函数：

capacity(): 返回当前容量。

reserve(n): 预分配至少n个元素的内存空间。

shrink_to_fit(): 将容量减少到与实际大小相等。

1.3.2 示例代码

#include 
   
    #include 
    
     int main() {    std::vector
     
       v;    v.reserve(50); // 预分配50个元素的内存    v.push_back(0); // 添加元素    while (v.size() < v.capacity()) {        v.push_back(0); // 使用预留空间    }    v.shrink_to_fit(); // 调用shrink_to_fit    return 0;}

输出结果表明，vector的实现通常将容量翻倍分配。

2. 关联容器概述

关联容器以键-值对的形式存储元素，支持快速查找和有序访问。常见的关联容器包括map、set、multimap和multiset等。

2.1 关联容器的分类

关联容器可以分为有序容器和无序容器：

有序容器（map、multimap、set、multiset）：元素按键值的顺序存储，支持快速查找。

无序容器（unordered_map、unordered_set、unordered_multimap、unordered_multiset）：元素按哈希值存储，查找速度较慢但插入和删除操作较快。

2.2 关联容器操作

关联容器提供了丰富的操作方法，包括元素的插入、删除、查找和迭代等。

2.2.1 关键字的要求

有序容器要求键具有比较操作符（<）。

无序容器要求键具有==运算符和哈希函数。

2.2.2 pair类型

pair类型广泛应用于关联容器中，用于存储键值对。例如：

#include 
   
    #include 
    int main() {    std::map
     
       word_map;    word_map.insert(std::make_pair("apple", 1));    auto it = word_map.begin();    std::cout << it->first << ":" << it->second << std::endl;    return 0;}

2.3 无序容器

无序容器通过哈希函数组织元素，支持快速插入和删除操作。需要注意的是，无序容器的查找速度较慢。

2.3.1 无序容器的桶管理

无序容器将元素存储在多个桶中，每个桶包含零或多个元素。常用桶管理函数包括：

bucket_count(): 返回桶的数量。

max_bucket_count(): 返回桶的最大数量。

rehash(n): 重新组织桶的结构。

2.3.2 示例代码

#include 
   
    #include 
    
     int main() {    std::unordered_set
     
       numbers;    numbers.insert(10);    numbers.insert(15);    numbers.insert(16);    auto it = numbers.find(15);    std::cout << *it << std::endl;    return 0;}

3. 容器适配器

除了基本容器外，C++标准库还提供了三个顺序容器适配器：stack、queue和priority_queue。这些适配器通过包装原始容器，使其行为与特定数据结构相似。

3.1 栈适配器

stack适配器可以将任何顺序容器（如vector和deque）转换为栈的行为。例如：

#include 
   
    #include 
    
     #include 
     
      int main() {    std::stack
      
        stack;    stack.push(10);    stack.push(20);    while (!stack.empty()) {        std::cout << stack.top() << std::endl;        stack.pop();    }    return 0;}

3.2 队列适配器

queue适配器可以将任何顺序容器转换为队列的行为。例如：

#include 
   
    #include 
    
     #include 
     
      int main() {    std::queue
      
       
        > q;    q.push(std::deque
        
         {1, 2, 3, 4}); auto front = q.front(); std::cout << front << std::endl; q.pop(); return 0;}

3.3 优先队列适配器

priority_queue适配器支持优先级队列的行为，根据指定的比较器进行元素的排序和插入。例如：

#include 
   
    #include 
    
     #include 
     
      #include 
      
       int main() {    std::priority_queue

, std::greater

> pq; pq.push(1); pq.push(8); pq.push(5); pq.push(6); pq.push(3); pq.push(4); pq.push(9); pq.push(7); pq.push(2); while (!pq.empty()) { std::cout << pq.top() << " "; pq.pop(); } return 0;}