C++标准库容器大揭秘：vector, list, map等的正确选择与使用


参考资源链接：[C++面向对象程序设计课后习题答案-陈维兴等人](https://wenku.csdn.net/doc/6412b77fbe7fbd1778d4a80e?spm=1055.2635.3001.10343)
# 1. C++标准库容器概述

## 1.1 C++标准库容器简介

C++标准模板库（STL）为开发者提供了丰富的容器类，这些类是用于存储和管理数据的模板类，它们在内存中以特定的方式组织数据，以便快速且高效地访问。容器是泛型编程的基石，它们能够存储任意类型的对象，包括基本数据类型和用户定义的类型。

## 1.2 容器的分类

标准库容器主要分为两大类：序列式容器（Sequence Containers）和关联式容器（Associative Containers）。序列式容器维护元素的顺序，如 `vector`, `list`, `deque` 等。关联式容器则维持元素的排序状态，如 `map`, `set`, `multimap`, `multiset` 等。此外，还有一组特殊的容器适配器，比如 `stack`, `queue`, `priority_queue`，它们不是基本容器类型，但通过现有容器实现特殊的功能。

## 1.3 容器的特性与选择

选择合适的容器对于程序的性能至关重要。不同容器有不同的内部实现，这决定了它们在添加、删除、查找元素等操作上的性能。例如，`vector` 适用于快速随机访问，但插入和删除操作可能代价较高。而 `list` 则在插入和删除操作上效率较高，但不支持随机访问。开发者应根据数据处理需求和操作性能期望来选择合适的容器。

在下一章，我们将深入探讨序列式容器的理论和实践。

# 2. 序列式容器的理论与实践

## 2.1 vector的深入理解

### 2.1.1 vector的基本操作和性能分析

`vector` 是 C++ 标准库中最常用的序列式容器之一，它是以数组的形式实现的动态数组，支持随机访问。它提供了动态数组的所有基本操作，如插入、删除、访问元素等。

`vector` 的优势在于连续内存存储，使得在连续存储区域内对元素的访问可以达到非常高的效率，尤其是通过下标访问元素时。然而，这种存储方式也限制了其在插入和删除操作上可能需要移动大量元素，这使得其在处理大量数据时可能不如其他容器高效。

具体到性能分析，`vector` 的时间复杂度主要受以下操作影响：
- 访问元素：O(1)
- 插入元素：O(n)，平均到每次插入需要移动一半的元素
- 删除元素：O(n)，平均到每次删除需要移动一半的元素

由于 `vector` 在内存管理上采用的是空间重新分配（reallocate）机制，因此当存储空间不足时，会重新分配更大的内存空间，并将现有数据复制到新的内存空间，这一过程可能较为耗时。

### 2.1.2 vector在实际编程中的应用场景

在实际编程中，`vector` 适用于以下场景：
- 数据量不是特别大且需要频繁随机访问元素
- 数据的插入和删除操作较少，或者插入和删除操作影响的性能可以接受
- 作为动态数组使用，当需要存储的元素数量在编译时不确定时

举例来说，`vector` 在图形处理、数值计算等领域非常有用，尤其是当算法的复杂度对随机访问的高效率有较大依赖时。

### 代码示例及分析

#include <iostream>
#include <vector>
using namespace std;

int main() {
    vector<int> v(5); // 创建一个包含5个元素的vector，每个元素初始化为0
    // 添加元素
    for(int i = 0; i < 10; ++i) {
        v.push_back(i); // 动态数组扩容
    }
    // 访问元素
    for(int i = 0; i < v.size(); ++i) {
        cout << v[i] << " ";
    }
    cout << endl;
    // 遍历输出
    for(auto elem : v) {
        cout << elem << " ";
    }
    cout << endl;

    return 0;
}

上述代码演示了 `vector` 的基本操作，包括创建、添加元素、访问元素和遍历。需要注意的是，当 `push_back` 添加元素导致扩容时，`vector` 会移动所有现有元素到新的内存位置。这也解释了为何频繁地插入操作会影响 `vector` 的性能。

## 2.2 list的双向链表特性

### 2.2.1 list的内部结构和操作原理

`list` 是 C++ 中的双向链表容器。与 `vector` 的连续内存存储不同，`list` 是以非连续的节点方式存储数据，每个节点包含数据以及指向前一个和后一个节点的指针。

由于 `list` 的节点是独立分配的，它在插入和删除操作上具有很高的效率，因为不需要移动其他元素。`list` 的这些特性使其成为处理大量数据插入和删除操作时的理想选择。

`list` 提供了以下操作：
- `push_back` 和 `push_front`：在容器的头部或尾部添加元素。
- `pop_back` 和 `pop_front`：移除容器头部或尾部的元素。
- `insert` 和 `erase`：在指定位置插入或删除元素。

### 2.2.2 list的优势与限制

`list` 的优势主要体现在其插入和删除操作的高效性，尤其适用于那些对元素顺序有要求且需要频繁修改数据的场景。

然而，`list` 也有自身的限制。由于其不支持随机访问，访问任一元素的操作的时间复杂度为 O(n)。此外，额外的指针存储也导致了 `list` 在空间使用上可能不如 `vector` 高效。

### 代码示例及分析

#include <iostream>
#include <list>
using namespace std;

int main() {
    list<int> l;

    // 使用迭代器插入元素
    for(int i = 0; i < 10; ++i) {
        l.insert(l.begin(), i); // 在list的开始位置插入元素
    }

    // 输出list的元素
    for(auto it = l.begin(); it != l.end(); ++it) {
        cout << *it << " ";
    }
    cout << endl;

    // 删除元素
    l.erase(l.begin()); // 删除第一个元素

    // 输出删除后的list的元素
    for(auto it = l.begin(); it != l.end(); ++it) {
        cout << *it << " ";
    }
    cout << endl;

    return 0;
}

在上述示例中，我们使用了 `list` 的迭代器来插入和删除元素。`list` 的 `begin()` 方法返回指向容器第一个元素的迭代器，而 `end()` 方法返回指向容器末尾之后位置的迭代器。迭代器在 `list` 中的使用非常频繁，因为它提供了遍历容器的机制。

## 2.3 deque的双端队列机制

### 2.3.1 deque的结构特点和应用场景

`deque`（双端队列）是 C++ 中提供的一种双端开口的连续线性空间。它允许在两端进行高效的插入和删除操作，并能随机访问元素，可以视为 `vector` 和 `list` 的一个结合体。

`deque` 的内部结构复杂，通常是多个 `vector` 段（称为块）的集合。`deque` 可以动态地增长或缩减其大小，通过添加或移除块来实现。

### 2.3.2 deque与其他序列容器的比较

与 `vector` 相比，`deque` 在头部插入和删除操作更快，因为 `vector` 的扩容操作使得头部插入较为昂贵。

与 `list` 相比，`deque` 在随机访问元素上更为高效，因为它支持 O(1) 时间复杂度的随机访问。然而，`list` 在非头部和非尾部的插入删除操作上通常更快，因为 `deque` 对这些操作可能涉及块的分裂或合并。

在应用场景上，如果你需要一个可以快速在两端进行插入和删除的容器，并且需要对元素进行随机访问，那么 `deque` 是一个不错的选择。

### 代码示例及分析

#include <iostream>
#include <deque>
using namespace std;

int main() {
    deque<int> dq;

    // 插入元素到deque两端
    dq.push_back(1);
    dq.push_front(0);
    dq.push_back(2);

    // 输出deque的元素
    for(auto it = dq.begin(); it != dq.end(); ++it) {
        cout << *it << " ";
    }
    cout << endl;

    // 删除并获取最后一个元素
    cout << "The last element is: " << dq.back() << endl;
    dq.pop_back();

    // 输出修改后的deque的元素
    for(auto it = dq.begin(); it != dq.end(); ++it) {
        cout << *it << " ";
    }
    cout << endl;

    return 0;
}

在上面的代码中，我们演示了如何使用 `deque` 类的方法来进行元素的插入和删除操作。由于 `deque` 支持随机访问，因此 `back()` 方法可以在常数时间内返回最后一个元素。

在实际的应用中，`deque` 适用于需要频繁在两端插入和删除元素的场景，如在一些算法中使用双端队列模拟队列或栈的行为。

在比较不同序列式容器时，我们可以通过分析它们的数据结构特点和操作性能来做出选择，以适应不同场景的需求。选择合适的容器，不仅能够提高代码的性能，还能增加代码的可读性和可维护性。

# 3. 关联式容