STL笔试面试题总结

一.STL有哪些组件?

STL提供六大组件彼此此可以组合套用:

1、容器
容器就是各种数据结构,我就不多说,看看下面这张图回忆一下就好了,从实现角度看,STL容器是一种class template。

2、算法
各种常见算法,如sort,search,copy,erase等,我觉得其中比较值得学习的就是sort,next_permutation,partition,merge sort,从实现角度看,STL算法是一种function template。

3、迭代器
扮演容器与算法之间的胶合剂,是所谓的“泛型指针”。共有五种类型,从实现角度看,迭代器是一种将operator*,operator->,operator++,operator--等指针相关操作予以重载的class template。所有STL容器都附带有自己专属的迭代器,只有容器设计者才知道如何设计迭代器。原生指针也是一种迭代器。是设计模式的一种,所以被问到了解的设计模式可以用来凑数。

4、仿函数
行为类函数,可作为算法的某种策略,从实现角度看,仿函数是一种重载了operator()的class或class template。一般函数指针可视为狭义的仿函数。

5、容器配接器
一种用来修饰容器或者仿函数或迭代器接口的东西。比如queue和stack,看着像容器,其实就是deque包了一层皮。

6、空间配置器
负责空间配置与管理。从实现角度看,配置器是一个实现了动态空间配置、空间管理、空间释放额class template。

二.STL常用的容器有哪些以及各自的特点是什么?

1.vector:底层数据结构为数组 ,支持快速随机访问。

2.list:底层数据结构为双向链表,支持快速增删。

3.deque:底层数据结构为一个中央控制器和多个缓冲区,详细见STL源码剖析P146,支持首尾(中间不能)快速增删,也支持随机访问。

4.stack:底层一般用23实现,封闭头部即可,不用vector的原因应该是容量大小有限制,扩容耗时

5.queue:底层一般用23实现,封闭头部即可,不用vector的原因应该是容量大小有限制,扩容耗时(stack和queue其实是适配器,而不叫容器,因为是对容器的再封装)

6.priority_queue:的底层数据结构一般为vector为底层容器,堆heap为处理规则来管理底层容器实现

7.set:底层数据结构为红黑树,有序,不重复。

8.multiset:底层数据结构为红黑树,有序,可重复。

9.map:底层数据结构为红黑树,有序,不重复。(一篇好的文章:https://blog.csdn.net/sevenjoin/article/details/81943864)

10.multimap:底层数据结构为红黑树,有序,可重复。

11.hash_set:底层数据结构为hash表,无序,不重复。

12.hash_multiset:底层数据结构为hash表,无序,可重复 。

13.hash_map :底层数据结构为hash表,无序,不重复。

14.hash_multimap:底层数据结构为hash表,无序,可重复。

三、说说std::vector的底层(存储)机制。

vector就是一个动态数组,里面有一个指针指向一片连续的内存空间,当空间不够装下数据时,会自动申请另一片更大的空间(一般是增加当前容量的50%或100%),然后把原来的数据拷贝过去,接着释放原来的那片空间;当释放或者删除里面的数据时,其存储空间不释放,仅仅是清空了里面的数据。

四、vector插入删除和list有什么区别?

vector插入和删除数据,需要对现有数据进行复制移动,如果vector存储的对象很大或者构造函数很复杂,则开销较大,如果是简单的小数据,效率优于list。

list插入和删除数据,需要对现有数据进行遍历,但在首部插入数据,效率很高。

五、什么情况下用vector,什么情况下用list。

vector可以随机存储元素(即可以通过公式直接计算出元素地址,而不需要挨个查找),但在非尾部插入删除数据时,效率很低,适合对象简单,对象数量变化不大,随机访问频繁。

list不支持随机存储,适用于对象大,对象数量变化频繁,插入和删除频繁。

六、vector中begin和end函数返回的是什么?

begin返回的是第一个元素的迭代器,end返回的是最后一个元素后面位置的迭代器。

七、为什么vector的插入操作可能会导致迭代器失效?

vector动态增加大小时,并不是在原空间后增加新的空间,而是以原大小的两倍在另外配置一片较大的新空间,然后将内容拷贝过来,并释放原来的空间。由于操作改变了空间,所以迭代器失效。

八、说说std::list的底层(存储)机制。

以结点为单位存放数据,结点的地址在内存中不一定连续,每次插入或删除一个元素,就配置或释放一个元素空间

九、list自带排序函数的排序原理。

将前两个元素合并,再将后两个元素合并,然后合并这两个子序列成4个元素的子序列,重复这一过程,得到8个,16个,...,子序列,最后得到的就是排序后的序列。

时间复杂度:O(nlgn)

void List::sort()

{

List carry;

List counter[64];  //数组元素为链表

int fill = 0;

while (head->next != tail)

{

//head是哨兵,不存放有效值

//head->next元素被移走,所以while循环不需要head=head->next;

carry.transfer(carry.getHead()->next, head->next, head->next->next);

int i = 0;

while (i < fill && counter[i].getHead()->next != counter[i].getHead())

//counter[i]不是空

{

counter[i].merge(carry);

carry.swap(counter[i++]);

}

carry.swap(counter[i]);

if (i == fill) ++fill;

}

for (int i = 1; i < fill; i++)

counter[i].merge(counter[i - 1]);

//通过这个实现排序(将有序的链表合成一个新的有序链表)

swap(counter[fill - 1]);

}

十、deque与vector的区别。

1)vector是单向开口的连续线性空间,deque是双向开口的连续线性空间。(双向开口是指可以在头尾两端分别做元素的插入和删除操作)。

2)deque没有提供空间保留功能,而vector则要提供空间保留功能。

3)deque也提供随机访问迭代器,但是其迭代器比vector迭代器复杂很多。

十一、不允许有遍历行为的容器有哪些(不提供迭代器)?

1)queue,除了头部外,没有其他方法存取deque的其他元素。

2)stack(底层以deque实现),除了最顶端外,没有任何其他方法可以存取stack的其他元素。

3)heap,所有元素都必须遵循特别的排序规则,不提供遍历功能。

十二、STL容器的参数allocate是用来做什么的?

一般用在容器中,作为容器的一个成员,但一般是用模版参数传入,这样才可以让我们换成我们自定义的allocator;分配器用于封装STL容器在内存管理上的低层细节

十三、你怎样理解迭代器?

Iterator(迭代器)用于提供一种方法顺序访问一个聚合对象中各个元素, 而又不需暴露该对象的内部表示,相当于智能指针。包括Input Iterator, Output Iterator, Forward Iterator, Bidirectional Iterator, Random Access Iterator.

十四、 vector每次insert或erase之后,以前保存的iterator会不会失效?

理论上会失效,理论上每次insert或者erase之后,所有的迭代器就重新计算的,所以都可以看作会失效,原则上是不能使用过期的内存
但是vector一般底层是用数组实现的,我们仔细考虑数组的特性,不难得出另一个结论,

insert时,假设insert位置在p,分两种情况:
a) 容器还有空余空间,不重新分配内存,那么p之前的迭代器都有效,p之后的迭代器都失效

b) 容器重新分配了内存,那么p之后的迭代器都无效咯

erase时,假设erase位置在p,则p之前的迭代器都有效并且p指向下一个元素位置(如果之前p在尾巴上,则p指向无效尾end),p之后的迭代器都无效

十五、STL对于小内存块请求与释放的处理

STL考虑到小型内存区块的碎片问题,设计了双层级配置器,第一级配置直接使用malloc()和free();第二级配置器则视情况采用不同的策略,当配置区大于128bytes时,直接调用第一级配置器;当配置区块小于128bytes时,便不借助第一级配置器,而使用一个memory pool来实现。究竟是使用第一级配置器还是第二级配置器,由一个宏定义来控制。SGI STL中默认使用第二级配置器。
二级配置器会将任何小额区块的内存需求量上调至8的倍数,(例如需求是30bytes,则自动调整为32bytes),并且在它内部会维护16个free-list, 各自管理大小分别为8, 16, 24,…,128bytes的小额区块,这样当有小额内存配置需求时,直接从对应的free list中拔出对应大小的内存(8的倍数);当客户端归还内存时,将根据归还内存块的大小,将需要归还的内存插入到对应free list的最顶端。
小结:
STL中的内存分配器实际上是基于空闲列表(free list)的分配策略,最主要的特点是通过组织16个空闲列表,对小对象的分配做了优化。
1)小对象的快速分配和释放。当一次性预先分配好一块固定大小的内存池后,对小于128字节的小块内存分配和释放的操作只是一些基本的指针操作,相比于直接调用malloc/free,开销小。
2)避免内存碎片的产生。零乱的内存碎片不仅会浪费内存空间,而且会给OS的内存管理造成压力。
3)尽可能最大化内存的利用率。当内存池尚有的空闲区域不足以分配所需的大小时,分配算法会将其链入到对应的空闲列表中,然后会尝试从空闲列表中寻找是否有合适大小的区域,
但是,这种内存分配器局限于STL容器中使用,并不适合一个通用的内存分配。因为它要求在释放一个内存块时,必须提供这个内存块的大小,以便确定回收到哪个free list中,而STL容器是知道它所需分配的对象大小的,比如上述:
stl::vector array;
array是知道它需要分配的对象大小为sizeof(int)。一个通用的内存分配器是不需要知道待释放内存的大小的,类似于free(p)。

十六、vector和list的区别

vector和数组类似,拥有连续的内存空间,支持随机的存取,在中间进行元素的插入和删除的操作时间复杂度是O(n)

list是由双向链表实现的,只能通过数组指针来进行数据访问,遍历中间的元素,时间的复杂度是O(n).

十七、vector中erase方法与algorithn中的remove方法区别

vector中erase方法真正删除了元素,迭代器不能访问了

remove只是简单地将元素移到了容器的最后面,迭代器还是可以访问到。因为algorithm通过迭代器进行操作,不知道容器的内部结构,所以无法进行真正的删除。

十八、STL中的容器都有哪些,优缺点?
介绍一下STL,详细说明STL如何实现vector。

STL(标准模板库)可分为容器(containers)、迭代器(iterators)、空间配置器(allocator)、配接器(adapters)、算法(algorithms)、仿函数(functors)六个部分。
STL (标准模版库,Standard Template Library.它由容器、算法、迭代器组成。
STL有以下的一些优点:
可以方便容易地实现搜索数据或对数据排序等一系列的算法;
调试程序时更加安全和方便;
即使是人们用STL在UNIX平台下写的代码你也可以很容易地理解(因为STL是跨平台的)。
vector实质上就是一个动态数组,会根据数据的增加,动态的增加数组空间。
deque从逻辑上来看是连续的内存,本质上是由一段段固定大小 的连续空间组成。deque采用类似索引的结构管理内存。vector有capacity和reserve函数,deque和list一样,没有capacity和reserve函数。

总结如下: 
1. 在deque中间 插入或者删除将使所有deque元素的迭代器、引用、指针失效 
2. 在deque首部或者尾部插入元素会使迭代器失效,但不会引起引用和指针失效 
3. 在其首部或尾部删除元素则只会使指向被删除元素的迭代器失效

vector模板的数据在内存中连续的排列,所以随机存取元素(即通过[]运算符存取)的速度最快,这一点和数组是一致的。同样由于它的连续排列,所以它在除尾部以外的位置删除或添加元素的速度很慢,在使用vector时,要避免这种操作。
list模板的数据是链式存储,所以不能随机存取元素。它的优势在于任意位置添加 删除元素的速度。
deque模板是通过链接若干片连续的数据实现的,所以均衡了以上两个容器的特点

十九、说说std::deque的底层机制。

deque动态地以分段连续空间组合而成,随时可以增加一段新的连续空间并链接起来。不提供空间保留功能。

注意:除非必要,我们尽可能选择使用vector而非deque,因为deque的迭代器比vector迭代器复杂很多。对deque排序,为了提高效率,可先将deque复制到一个vector上排序,然后再复制回deque。

deque采用一块map(不是STL的map容器)作为主控,其为一小块连续空间,其中每个元素都是指针,指向另一段较大的连续空间(缓冲区)。

deque的迭代器包含4个内容:

1)cur:迭代器当前所指元素

2)first:此迭代器所指的缓冲区的头。

3)last:缓冲区尾。

4)node:指向管控中心。

二十、说说std::map底层机制。

map以RB-TREE为底层机制。RB-TREE是一种平衡二叉搜索树,自动排序效果不错。

通过map的迭代器不能修改其键值,只能修改其实值。所以map的迭代器既不是const也不是mutable。

二十一、红黑树有什么性质?

1)每个结点是红色或者黑色。

2)根结点为黑色。

3)叶结点为黑色的NULL结点。

4)如果结点为红,其子节点必须为黑。

5)任一结点到NULL的任何路径,所含黑结点数必须相同。

二十二、vector、list、map、deque用erase(it)后,迭代器的变化。

vector和deque是序列式容器,其内存分别是连续空间和分段连续空间,删除迭代器it后,其后面的迭代器都失效了,此时it及其后面的迭代器会自动加1,使it指向被删除元素的下一个元素。

list删除迭代器it时,其后面的迭代器都不会失效,将前面和后面连接起来即可。

map也是只能使当前删除的迭代器失效,其后面的迭代器依然有效。

二十三、hash_map与map的区别?什么时候用hash_map,什么时候用map?

构造函数:hash_map需要hash function和等于函数,而map需要比较函数(大于或小于)。

存储结构:hash_map以hashtable为底层,而map以RB-TREE为底层。

总的说来,hash_map查找速度比map快,而且查找速度基本和数据量大小无关,属于常数级别。而map的查找速度是logn级别。但不一定常数就比log小,而且hash_map还有hash function耗时。

如果考虑效率,特别当元素达到一定数量级时,用hash_map。

考虑内存,或者元素数量较少时,用map。

二十四、hashtable,hash_set,hash_map的区别。

hash_set以hashtable为底层,不具有排序功能,能快速查找。其键值就是实值。(set以RB-TREE为底层,具有排序功能。)

hash_map以以hashtable为底层,没有自动排序功能,能快速查找,每一个元素同时拥有一个实值和键值。(map以RB-TREE为底层,具有排序功能。)

二十五、map和set的3个问题。

1)为何map和set的插入删除效率比其他序列容器高。

因为不需要内存拷贝和内存移动

2)为何map和set每次Insert之后,以前保存的iterator不会失效?

因为插入操作只是结点指针换来换去,结点内存没有改变。而iterator就像指向结点的指针,内存没变,指向内存的指针也不会变。

2)当数据元素增多时(从10000到20000),map的set的查找速度会怎样变化?

RB-TREE用二分查找法,时间复杂度为logn,所以从10000增到20000时,查找次数从log10000=14次到log20000=15次,多了1次而已。

二十六、map是怎么实现的?查找的复杂度是多少?能不能边遍历边插入?

红黑树

O(logn)

不可以,map不像vector,它在对容器执行erase操作后不会返回后一个元素的迭代器,所以不能遍历地往后删除。

二十七、hash_map和map的区别在哪里?

hash_map底层是散列的所以理论上操作的平均复杂度是常数时间,map底层是红黑树,理论上平均复杂度是O(logn),这里总结一下,选用map还是hash_map,关键是看关键字查询操作次数,以及你所需要保证的是查询总体时间还是单个查询的时间。如果是要很多次操作,要求其整体效率,那么使用hash_map,平均处理时间短。如果是少数次的操作,使用 hash_map可能造成不确定的O(N),那么使用平均处理时间相对较慢、单次处理时间恒定的map,考虑整体稳定性应该要高于整体效率,因为前提在操作次数较少。如果在一次流程中,使用hash_map的少数操作产生一个最坏情况O(N),那么hash_map的优势也因此丧尽了。

二十八、为何map和set不能像vector一样有个reserve函数来预分配数据?

map和set内部存储的已经不是元素本身了,而是包含元素的节点。也就是说map内部使用的Alloc并不是map声明的时候从参数中传入的Alloc。例如:
map, Alloc > intmap;
这时候在intmap中使用的allocator并不是Alloc, 而是通过了转换的Alloc,具体转换的方法时在内部通过
Alloc::rebind重新定义了新的节点分配器,详细的实现参看彻底学习STL中的Allocator。
其实你就记住一点,在map和set里面的分配器已经发生了变化,reserve方法你就不要奢望了。
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