侯捷C++ （二--STL标准库）

C++STL标准库与泛型编程

STL六大部件

  • 容器 Containers
  • 分配器 Allocators   一种用来修饰容器或仿函数或迭代器接口的东西
  • 算法 Algorithms
  • 迭代器 Iterators
  • 适配器 Adapters
  • 仿函数 Functors

容器


前闭后开
大致分为两种容器：序列容器，关联容器
所谓关联容器，就是key和value的结构
序列容器：array、vector、deque、list、forward-list
关联容器：set、multiset、map、multimap，实现使用红黑树（高度平衡二叉树）做的
C++11中有Unordered容器，但他也属于关联容器，实现使用hash table做的

vector<int> c;
    vector<int>::iterator ite = c.begin();
    for (; ite != c.end(); ++ite);

对于关联式容器，在循环中使用erase，需要在erase中it++；对于序列式容器，不需要++操作；erase操作返回的是删除当前迭代器的下一个迭代器

list

 前++ 和 后++ 本身都没有参数，但是为了区分定义，后++的函数定义上有一个形式上的参数，但是没有用，只是为了区分

后++ 的返回值不是reference ，所以不能连串后++

为什么要有这么多typedef？
一定要有5个typedef，也就是下图中括号行。这就牵扯到了迭代器的Traits（特征特性）设计。
迭代器需要遵循的原则：迭代器是连接容器和算法的中间件，因此迭代器必须能够回答算法的一些提问，这样算法才能更好的对容器进行操作。这5种迭代器关联类型分别为：pointer、reference、iterator_category(迭代器类型，比如说随机存取)、value_type(值存放类型)、difference_type(容器两个元素之间的距离类型)。

类中才能typedef，那如果一个迭代器不是一个类呢，他就不能回答算法的问题了？因此，会引入Traits机作为中间层，接收类迭代器和指针迭代器，会做相应的工作（模板偏特化），得到指针的5种迭代器关联类型。

vector

 容器容量按2倍增长，扩充的时候需要找到和当前容量两倍大的连续的内存才行

在进行增长的时候，会调用大量的构造函数

Deque

Deque 两端开口

其中是一个一个的 buffer ，Deque 做出其中是连续的假象

map会将这些分段的node给串起来。
node指向map的哪一块
first和last指的是node的边界
cur指向当前node的元素
还会有一个start和finish的迭代器，保存双向队列的两端头元素。
map不够大，也会二倍扩充。

deque还需要指定buffer size，也就是每一个buffer容纳的元素个数，默认是0，就会做相应的操作来存放默认数量的元素，但是肯定不会是让一个buffer存放0个元素的。迭代器类型用的是随机存取（也就是连续的）是deque类做的伪装。迭代器做了模拟连续空间的操作！

deque<int> c;
c.push_back(2);
c.pop_back();
c.push_front(2);
c.pop_front();
c.max_size();
c.front();
c.back();

stack

stack<int> c;
c.push(2);
c.pop();
c.top();
c.size();

queue

queue<int> c;
c.push(2);
c.pop();
c.front();
c.back();
c.size();

RB-Tree

红黑树是平衡二分搜索树的一种。平衡二分搜索树的特征：排列规则有利于 search 和 insert，并保证适当平衡--无任何节点过深

使用红黑树，有5个模板参数。sizeof(RBTree)=12(GNU2.9)。为什么要在右下角放双向链表呢？因为红黑树和双向链表都有一个不用的节点，双向链表是end后面的节点，红黑树是头节点。

set 

map

这两种方法和前面的multi xx 使用方法一样，只是不允许有重复的key值。
map可以通过下标[]来插入
set不能够通过迭代器来修改容器里面的key值，因为是根据key来进行排序，实现的方法是使用const的迭代器。
map也不能够修改key值，但是可以修改key对应的value值，具体的实现方法是RBTree的迭代器指定模板参数的时候，value_type对应的类型为pair<const key, T>，即key是const类型的，但是value不是。
set和map大多数工作都是交给RBTree，从这个角度看，set和map也是一种容器适配器

unordered开头的容器，之前是用hash开头
 

HashTable


使用hash表，冲突采用拉链表法.
如果元素的大小和bucket的大小一样大了（不管有没有填满），就会扩充bucket的大小，变为当前bucket大小的倍数附近的质数，然后每个元素rehash，插入。这是一条经验法则。

需要指定6个模板参数！ExtractKey是放入的Object的Key，EqualKey是比较函数，使用hashtable最困难的事决定使用什么hash函数

具体写一个使用hashtable的例子：
标准库没有提供现成的hashstd::string

hashtable<const char*,const char*,hash<const char*>,identity<const char*>,eqstr,alloc> 
ht(50, hash<const char*>(), eqstr());

multiset

multimap

array

是C语言本来就有的东西，为什么要把他包装成容器？因为要让他有容器的行为，要有迭代器，才能配合算法。必须指定大小，不能拓展。没有构造函数，没有析构函数！

 

array<long, msize> c;
c.size();
c.front();
c.back();
c.data();//返回array的起点地址
qsort(c.data(), msize, sizeof(long), compareLong); // 快速排序，指定地址，多少个元素，每个元素大小是多少，比较方法是怎样
bsreach(&target, c.data(), msize, sizeof(long), compareLong); //二分查找，指定查找对象

 forward_list

forward_list<int> c;
c.push_front(); //头插
c.max_size();
c.front();
//无c.back()
//无c.size()

分配器 allocator

比如说vector的模版定义如下，会有一个默认的分配器std::allocator<_Tp>,如果不指定分配器，就会默认使用这一个

template<typename _Tp, typename _Alloc = std::allocator<_Tp>>
class vector : protected _Vector_base<_Tp, _Alloc>

容器需要一个东西来支持它对内存的使用，这个东西就是分配器，最好的情况下，我们不需要知道这个东西，所以需要一个默认的分配器。

malloc 会自带一个固定大小的header

有效空间只占其中的一部分，如果每次malloc一个小空间然后多次malloc，那么header的所占空间将会大的无法忍受

这些额外开销有什么用呢？00000041是两个cookie，保存了这个内存块的大小。但是对于容器来说，容器的一个块大小是固定的，有必要使用这个cookie吗？可以不要。

GNU2.9使用的是alloc，解决了上面的疑问（额外开销的问题）！实现行为如下，主要的思路就是减少malloc的次数，因为malloc一次就会附带一个头尾。

16条链表，负责不同大小的内存分配。8字节对齐。每个内存块不会都带cookie。只会在链表的头尾有cookie。

迭代器  

前面说到迭代器中必须要有5种关联类型：pointer、reference、iterator_category(迭代器类型，比如说随机存取)、value_type(值存放类型)、difference_type(容器两个元素之间的距离类型)。

iterator_category

也有五种迭代器类型：随机存取迭代器（array、vector、deque）、双向迭代器（list、红黑树容器）、单向迭代器（forward_list，hash类容器）、输入迭代器（istream迭代器），输出迭代器（ostream迭代器）。

iterator_category对算法的影响

以这个distance函数为例，会根据迭代器的类别来调用不同的具体实现函数，一个是只包含一个减法操作的语句，一个是包含一个while循环的语句，可想而知，当真实距离很大时，有while循环的具体实现函数效率会非常低下。

如果是随机存取的内存连续的容器的迭代器，就可以直接用尾指针减去头指针计算 distance ，但是如果不是的话，就只能一步一步走一个一个算，比较费时

看一个特别能体现C++注重效率的体现：
copy实现，到最终的实现细节，经过了很多判断，这些判断是为了找到最高效率的实现，就是判断迭代器的分类。

算法

必须要是下面的两种形式的函数，才是STL中的算法，比如说qsort和bsreach的参数就不是传入迭代器，所以不是C++STL中的算法，而是C中的函数。

template<typename Iterator>
Algorithm(Iterator it1, Iterator it2){
...
}template<typename Iterator, typename Cmp>
Algorithm(Iterator it1, Iterator it2, Cmp comp){
...
}

算法看不见容器，关于容器的一切信息都必须通过迭代器获得，所以又和前面的Traits机联系到一起了。

accumulate(InputIterator first, InputIterator last, T init)


另外一个版本为：accumulate(InputIterator first, InputIterator last, T init， BinaryOperation binary_op)

上面这个binary_op指明是一个二元操作数的函数，可以是仿函数（实质上是一个类），也可以是函数，只要是能够在该算法的函数体内通过小括号调用就行！！！！也就是能够这么用：binary_op(a, b);所以，之前的疑虑就可以消除了。就算是在算法（函数）里面，也能够使用仿函数，但是传入的是仿函数的对象实例，而如果要传入函数的话，就传函数名就可以了。

int init = 100;
int nums[] = {10,20,30};
accumulate(nums, nums+3, init);//不指定具体怎么操作，默认为加法，输出160
accumulate(nums, nums+3, init, minus<int>()); //这minus时减法的意思，所以输出为40

lower_bound(ForwardIterator first, ForwardIterator last, T target)

二分查找的一个版本，如果找到对应的值，则返回指向其中第一个元素的迭代器，如果不存在，则返回最适合安插这个target的点的迭代器 ，也就是说它返回迭代器指向第一个不小于target的元素，也就是说它返回的是不破坏排序得以安插target的第一个适当位置

upper_bound(ForwardIterator first, ForwardIterator last, T target)
binary_search(ForwardIterator first, ForwardIterator last, const T& value)
源码中就是调用lower_bound

for_each(InputIterator first, InputIterator last, Function f)
对容器区间内的元素做同样的事情

replace(ForwardIterator first, ForwardIterator last, const T& old_value, const T& new_value)
将容器区间内的元素进行替换，如果元素值等于old_value就把它替换为new_value.

replace_if(ForwardIterator first, ForwardIterator last, Predicate pred, const T& new_value)
Predicate为一个条件，判断式子，如果符合条件就进行替换

replace_copy(ForwardIterator first, ForwardIterator last, OutputIterator result, const T& old_value, const T& new_value)
范围内所有等同于old_value的都以new_value放置新的区间中，不符合原值的也放入新的区间

count(InputIterator first, InputIterator last, const T& value)
区间内有和value相等的元素count+1。

红黑树、hash容器中有自己的count

count_if(InputIterator first, InputIterator last, Predicate pred)
区间内有符合pred条件的count+1

find(InputIterator first, InputIterator last, const T& value)
循序查找，返回第一个和value相等的迭代器
红黑树、hash容器中有自己的find

find_if(InputIterator first, InputIterator last, const T& value)
循序查找，查找符合条件的第一个元素的迭代器

sort(InputIterator first, InputIterator last, Function f)
默认从小到大排序，也可以指定自己的比较函数，可以是仿函数，可以是函数，仿函数必须传入该仿函数的实例。

reverse iterator ，rbegin()  rend  逆向迭代器

仿函数

只为算法服务

有三种仿函数：算术类（+、-、*、/等）、逻辑运算类（&&、 ||等）、相对关系类（返回bool），一共大概24个仿函数。

给一个加法的仿函数

template<class T>
struct plus : public binary_function<T, T, T>{T operator()(const T& x, const T& y) const{return x + y;}
}

再写写binary_function的定义：

template<class Arg1, class Arg2, class Result>
struct bianry_fucntion{typedef Arg1 first_argument_type;typedef Arg2 second_argument_type;typedef Result result_type;
}

为什要让仿函数继承这些类呢？
首先，继承他们，不会增加仿函数的内存大小，其次，继承了他们，会有了first_argument_type等的typedef，后续可以根据这个类型进行一些修改。
一个仿函数的可适配条件是什么？就是必须（合适地）继承binary_function,unary_function等类，才能回答适配器的问题，就像Traits机要回答迭代器的问题一样。

一个示例：

template<class Pair>
struct select1st :public unary_function<pair, typename Pair::first_type>
{const typename Pair::first_type& operator()(const Pair& x) const{return x.first;}
};

参考文章：侯捷C++八部曲笔记（二、STL标准库和泛型编程）_侯捷stl_Wanncye的博客-CSDN博客

参考书籍：《STL源码剖析》 

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