STL——序列式容器

一、容器概述与分类 1. STL容器即是将运用最广的一些数据结构实现出来。常用的数据结构有array, list, tree, stack, queue, hash table, set, map……等等。根据“数据在容器中的排列”特性，这些数据结构分为序列式和关联式两种。本篇讨论序列式容器。

这里所谓的衍生，并非派生关系，而是内含关系。例如heap内含一个vector，priority-queue内含一个heap，stack和queue都内含一个deque，set/map/multiset/multimap都内含一个RB-tree，hash_x都内含一个hashtable。

2. 序列式容器 所谓的序列式容器，其中的元素都可序（ordered，有位置属性），但未必有序（sorted，值未必有序）。C++ 语言本身提供了一个序列式容器array，STL另外再提供vector，list， deque， stack， queue， priority-queue等等序列式容器。其中stack和queue由于只是将deque改头换面而成，技术上被归类为一种配接器（adapter）。

二、Vector

1. vector 概述

vector 的数据安排以及操作方式，与array非常相似。两者唯一差别在于空间运用的灵活性。array是静态空间、一旦配置了就不能改变，要修改空间大小，只能通过“配置新空间/数据移动/释还旧空间”这种成本很高的方法来进行。vector是动态空间，随着元素的加入，它的内部机制会自行扩充空间以容纳新的元素。

2. 要使用vector，必须先包括<vector>，但SGI STL 将vector实现于更底层的<stl_vector.h>。 参见相关源码。

3. vector 迭代器 vector维护的是一个连续显性空间，所以不论其元素型别为何，普通指针都可以作为vector的迭代器而满足所有必要条件，因为vector迭代器所需要的操作行为，如 operator*, operator->, operator++, operator--, operator+, operator-,operator+=, operator-=,普通指针天生就具备。vector支持随机存取，而普通指针正有着这样的能力。所以，vector提供的是Random Access Iterators。

4. vector数据结构 vector所采用的数据结构非常简单：线性连续空间。它以两个迭代器start和finish分别指向配置得来的连续空间中目前已被使用的范围（容器大小），并以迭代器end_of_storage指向整块连续空间（含备用空间，容器容量）的尾端。

5. vector的构造与内存管理：constructor，push_back
vector缺省使用alloc（第二章）作为空间配置器，并据此另外定义了一个data_allocator，为的是更方便以元素大小为配置单位：

template <class T, class Alloc = alloc>
class vector
{
    protected:
        typedef simple_alloc<value_type, Alloc> data_allocator;
    ....
};

于是，data_allocator::allocate(n) 表示配置n个元素空间。
vector提供许多constructors，其中一个允许我们指定空间大小及初值：

// fill_initialize(填充并予以初始化)-> 调用allocate_and_fll(配置而后填充)->
// 调用uninitialized_fill_n(), uninitialized_fill_n()会根据第一参数的型别特性（type traits），决定
// 使用算法fill_n() 或反复调用construct() 来完成任务（2.2.3节，图2-1），参见相关源码
vector(size_type n, const T& value) { fill_initialize(n, value); }

当我们以push_back() 将新元素插入于vector尾端是，函数首先检查是否还有备用空间，如果有就直接在备用空间上构造元素，并调整迭代器finish，使vector变大。如果没有备用空间了，就扩充空间（重新配置、移动数据、释还原空间）。参见相关源码。

注意：所谓动态增加大小，并不是在原空间之后连续新空间（因为无法保证原空间之后尚有可供配置的空间），而是以原大小的两倍另外配置一块较大空间，然后将原内容拷贝过来，然后才开始在原始内容之后构造新元素，并释还原空间。因此，对vector的任何操作，一旦引起空间重新配置，指向原vector的所有迭代器就都失效了。这是程序员易犯的一个错误，务需小心。

6. vector 的元素操作：pop_back，erase，clear， insert

（1）pop_back:将尾端标记往前移一格，表示将放弃尾端元素；释还尾端元素。

（2）erase(first, last)：将last之后的n个元素赋值到以first为起点的区间内（copy(last, finish, first);），释还元素；

（3）insert操作图如下：

三、List

1. list概述 相较于vector的连续线性空间，list就显得复杂许多，它的好处是每次插入或删除一个元素，就配置或释还一个元素空间。因此，list对于空间的运用有绝对的精准，一点也不浪费。而且，对于任何位置的元素插入或元素移除，list永远是常数时间。

2. list的节点 参见相关源码

3. list的迭代器 list 不再能够像vector一样一普通指针作为迭代器，因为其节点不保证在存储空间中连续存在。list 迭代器必须有能力指向list的节点，并有能力进行正确的递增、递减、取值、成员存取等操作。所谓“list迭代器正确的递增、递减、取值、成员取用”操作是指，递增时指向下一个节点，递减时指向上一个节点，取值时取的是节点的数据值，成员取用时取用的是节点的成员。由于STL list 是一个双向链表，迭代器必须具备前移、后移的能力，所以list提供的是Bidirectional iterators。

list有一个重要性质：插入操作和接合操作都不会造成原有的list迭代器失效。这在vector是不成立的，因为vector 的插入操作可能造成容器重新配置，导致原有的迭代器全部失效。甚至list的元素删除操作，也只有“指向被删除元素”的那个迭代器失效，其他迭代器不受任何影响。

list迭代器的设计，参见相关源码

4. list 的数据结构

SGI list 不仅是一个双向链表，而且还是一个环状双向链表。所以它只需一个指针，便可完整表现整个链表。如果让指针node指向刻意置于尾端的一个空白节点，node便能符合STL 对于“前闭后开”区间的要求，成为last迭代器。

5. list的构造与内存管理：constructor、push_back、insert

list 缺省使用alloc 作为空间配置器，并据此另外定义了一个list_node_allocator，为的是更方便地以节点大小为配置单位：

template <class T, class Alloc = alloc>
class list
{
    protected:
        typedef __list_node<T> list_node;
        // 专属之空间配置器，每次配置一个节点大小
        typedef simple_alloc<list_node, Alloc> list_node_allocator;
    ....
};

push_back() 函数内部调用insert()。

6. list 的元素操作：  push_front, push_back, erase, pop_front, pop_back,  clear, remove, unique, splice, merge, reverse, sort

list 内部提供一个所谓的迁移操作（transfer）：将某连续范围的元素迁移到某个特定位置之前。技术上很简单，节点间的指针移动而已。 参见相关源码

四、deque

1. deque 概述

vector是单向开口的连续线性空间，deque则是一种双向开口的连续线性空间。所谓双向开口，意思是可以在头尾两端分别作元素的插入和删除操作。vector当然也可以在头尾两端进行操作，但其头部操作效率奇差，无法被接受。

deque和vector最大差异，一在于deque允许于常数时间内对起头端进行元素的插入或移除操作，二在于deque没有所谓容量（capacity）概念，因为它是动态地以分段连续空间组合而成，随时可以增加一段新的空间并链接起来。

虽然deque也提供Random Access Iterator，但它的迭代器并不是普通指针，其复杂度和vector不可以道里计。因此，除非必要，我们应尽可能选择使用vector而非deque。

2. deque系由一段一段的定量连续空间构成。一旦有必要在deque的前段或尾端增加新空间，便配置一段定量连续空间，串接在整个deque的头端或尾端。deque的最大任务，便是在这些分段的定量连续空间上，维护其整体连续的假象，并提供随机存取接口。避开了“重新配置、复制、释放”的轮回，代价则是复杂的迭代器架构。

deque采用一块所谓的map（注意，不是STL的map容器）作为主控，这里的map是一小块连续空间，其中每个元素都是指针，指向另一段（较大的）连续线性空间，称为缓冲区。缓冲区才是deque的存储空间主体。SGI STL 允许我们指定缓冲区大小，默认值0表示将使用512bytes缓冲区。map其实是一个T**，它是一个指针，所指之物又是一个指针。

参见deque容器相关源码；

3. deque 的迭代器

参见deque迭代器相关源码

4. deque的数据结构 deque除了维护一个先前说过的指向map的指针外，也维护start，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（的下一位置）。此外，它当然也必须记住目前的map大小。因为一旦map所提供的节点不足，就必须重新配置更大的一块map。 参见deque容器相关源码

5. deque的构造与内存管理：ctor, push_back, push_front deque自行定义了两个专属的空间配置器：

protected:
// 专属空间配置器，每次配置一个元素大小
typedef simple_alloc<value_type, Alloc> data_allocator;
// 专属空间配置器，每次配置一个指针大小
typedef simple_alloc<pointer, Alloc> map_allocator;

// 并提供一个constructor如下：
deque(int n, const value_type& value)
    :start(), finish(), map(), map_size()
{
    // 参见相关源码
    fill_initialize(n, value);
}

注意，在create_map_and_nodes()函数中：

（1）需要节点数 = ( 元素个数 / 每个缓冲区可容纳的元素个数) + 1 ;

（2）一个map要管理几个节点。最少8个，最多是“所需节点数加2”（前后各预留一个，扩充时可用）;

（3）nstart和nfinish 指向map所拥有之全部节点的最中央区段，保持在最中央（已初始化节点位于map节点列表最中央区段。），可使头尾两端的扩充能力一样大。每一节点可对应一个缓冲区。

push_back/push_front 参见相关源码

什么时候map需要重新整治？这个问题的判断由reserve_map_at_back() 和 reserve_map_at_front() 进行，实际操作则由reallocate_map() 执行。

参见相关源码。

6. deque 的元素操作：pop_back, pop_front, clear, erase, insert

泛型算法find() 寻找deque某个元素

注意，deque的最初状态（无任何元素时）保有一个缓冲区，因此，clear() 完成之后回复初始状态，也一样要保留一个缓冲区。

参见相关源码

五、stack

1. stack概述

stack是一种先进后出（First In Last Out， FILO）的数据结构。它只有一个出口。stack允许新增元素、移除元素、取得最顶端元素。但除了最顶端外，没有任何其它方法可以存取stack的其他元素。换言之，stack不允许有遍历行为。

2. stack定义 以某种既有容器作为底部结构，将其接口改变，使之符合“先进后出”的特性，形成一个stack，是很容易做到的。deque是双向开口的数据结构，若以deque为底部结构并封闭其头端开口，便轻而易举地形成了一个stack。因此，SGI STL 便以deque作为缺省情况下的stack底部结构，stack的实现因而非常简单，源代码十分简短。 除了deque之外，list也可以作为stack的底部容器。

由于stack系以底部容器完成其所有工作，而具有这种“修改某物接口，形成另一种风貌”之性质者，称为adapter（配接器），因此，STL stack 往往不被归类为container（容器），而被归类为container/adapter。

3. stack没有迭代器 stack 所有元素的进出都必须符合“先进后出”的条件，只有stack顶端的元素，才有机会被外界取用。stack不提供走访功能，也不提供迭代器。

六、queue

1. queue概述

queue 是一种先进先出（First In First Out， FIFO）的数据结构。queue允许新增元素、移除元素、从最底端加入元素、取得最顶端元素。但除了最底端可以加入、最顶端可以取出外，没有任何其他方法可以存取queue的其他元素。换言之，queue不允许有遍历行为。

2. queue定义 queue同样也是一种配接器，也没有迭代器。参见相关源码。

七、heap（隐式表述，implicit representation）

参见STL——heap结构及算法

八、priority_queue

1. priority_queue 概述

顾名思义，priority_queue是一个拥有权值的queue，其内的元素并非依照被推入的次序排列，而是自动依照元素的权值排列（通常权值以实值表示）。权值最高者，排在最前面。缺省情况下priority_queue系利用一个max-heap完成，后者是一个以vector表现的complete binary tree(参见STL——heap结构及算法)。max-heap可以满足priority_queue所需要的“依权值高低自动递减排序”的特性。

2. 和queue一样，priority_queue 也被归类为container adapter。priority_queue的所有元素，进出都有一定的规则，只有queue顶端的元素（权值最高者），才有机会被外界取用。priority_queue不提供遍历功能，也不提供迭代器。

九、slist

1. slist 概述 STL list 是个双向链表。SGI STL 另提供了一个单向链表，名为slist。这个容器并不在标准规格之内。slist 和 list 的主要差别在于，前者的迭代器属于单向的Forward Iterator, 后者的迭代器属于双向的Bidirectional Iterator。由于slist 是一个单向链表，STL 默认的插入操作“将新元素插入于指定位置之前”对于slist来说并不适用，故而slist 特别提供了insert_after() 和 erase_after()供灵活运用。基于同样的（效率）考虑，slist 不提供push_back(), 只提供push_front()。（因为对于slist， push_back会导致遍历整个链表，才能找到最后一个节点的位置，执行插入；slist 默认提供链表头节点指针，push_front可以快速插入。）

2. slist 的节点 slist 节点和其迭代器的设计，架构上比list复杂许多，运用了继承关系，运用了继承关系，因此在型别转换上有复杂的表现。这种设计方式在第5章RB-tree将再一次出现。如下图：

slist node源码参见相关源码

3. slist 的迭代器

参见相关源码

注意：slist 没有实现operator--，因为这是一个forward iterator。

4. slist 的数据结构

参见相关源码