从零开始学C++之STL（一）：STL六大组件简介

一、STL简介

（一）、泛型程序设计

泛型编程（generic programming） 将程序写得尽可能通用 将算法从数据结构中抽象出来，成为通用的 C++的模板为泛型程序设计奠定了关键的基础

（二）、什么是STL

1、STL（Standard Template Library），即标准模板库，是一个高效的C++程序库。

2、包含了诸多在计算机科学领域里常用的基本数据结构和基本算法。为广大C++程序员们提供了一个可扩展的应用框架，高度体现了软件的可复用性

3、从逻辑层次来看，在STL中体现了泛型化程序设计的思想（generic programming） 在这种思想里，大部分基本算法被抽象，被泛化，独立于与之对应的数据结构，用于以相同或相近的方式处理各种不同情形。

4、从实现层次看，整个STL是以一种类型参数化（type parameterized）的方式实现的

基于模板(template)

二、STL组件

Container(容器) 各种基本数据结构

Adapter(适配器) 可改变containers、Iterators或Function object接口的一种组件

Algorithm(算法) 各种基本算法如sort、search…等

Iterator(迭代器) 连接containers和algorithms

Function object(函数对象) 

Allocator(分配器)

（一）、容器

容器类是容纳、包含一组元素或元素集合的对象

七种基本容器：

向量（vector）、双端队列（deque）、列表（list）、集合（set）、多重集合（multiset）、映射（map）和多重映射（multimap）

标准容器的成员绝大部分都具有共同的名称

序列式容器

序列式容器Sequence containers,其中每个元素均有固定位置——取决于插入时机和地点，和元素值无关。（vector、deque、list）

关联式容器

关联式容器Associative containers，元素位置取决于特定的排序准则以及元素值，和插入次序无关。（set、multiset、map、multimap）

1、需要频繁在序列中间位置上进行插入和/或删除操作且不需要过多地在序列内部进行长距离跳转，应该选择list

2、vector头部与中间插入删除效率较低，在尾部插入与删除效率高。

3、deque是在头部与尾部插入与删除效率较高

set/map/multiset/multimap 

set，同map一样，所有元素都会根据元素的键值自动被排序，因为set/map两者的所有各种操作，都只是转而调用RB-tree的操作行为，不过，值得注意的是，两者都不允许两个元素有相同的键值。

不同的是：set的元素不像map那样可以同时拥有实值(value)和键值(key)，set元素同时拥有实值和键值，且实值就是键值，键值就是实值，而map的所有元素都是pair，同时拥有实值(value)和键值(key)，pair的第一个元素被视为键值，第二个元素被视为实值。

    至于multiset/multimap，他们的特性及用法和set/map完全相同，唯一的差别就在于它们允许键值重复，即所有的插入操作基于RB-tree的insert_equal()而非insert_unique()。In computer science, a multimap (sometimes also multihash) is a generalization of a map or associative arrayabstract data type in which more than one value may be associated with and returned for a given key.

摘自 sgi stl 红黑树数据结构定义:

typedef bool _Rb_tree_Color_type;
const _Rb_tree_Color_type _S_rb_tree_red = false;
const _Rb_tree_Color_type _S_rb_tree_black = true;
 
struct _Rb_tree_node_base
{
  typedef _Rb_tree_Color_type _Color_type;
  typedef _Rb_tree_node_base* _Base_ptr;
 
  _Color_type _M_color;
  _Base_ptr _M_parent;
  _Base_ptr _M_left;
  _Base_ptr _M_right;
 
  static _Base_ptr _S_minimum(_Base_ptr __x)
  {
    while (__x->_M_left != 0) __x = __x->_M_left;
    return __x;
  }
 
  static _Base_ptr _S_maximum(_Base_ptr __x)
  {
    while (__x->_M_right != 0) __x = __x->_M_right;
    return __x;
  }
};
 
template <class _Value>
struct _Rb_tree_node : public _Rb_tree_node_base
{
  typedef _Rb_tree_node<_Value>* _Link_type;
  _Value _M_value_field;
};

hash_set/hash_map/hash_multiset/hash_multimap

hash_set/hash_map，两者的一切操作都是基于hashtable之上。不同的是，hash_set同set一样，同时拥有实值和键值，且实值就是键值，键值就是实值，而hash_map同map一样，每一个元素同时拥有一个实值(value)和一个键值(key)，所以其使用方式，和上面的map基本相同。但由于hash_set/hash_map都是基于hashtable之上，所以不具备自动排序功能。为什么? 因为hashtable没有自动排序功能。

至于hash_multiset/hash_multimap的特性与上面的multiset/multimap完全相同，唯一的差别就是它们hash_multiset/hash_multimap的底层实现机制是hashtable(而multiset/multimap，上面说了，底层实现机制是RB-tree)，所以它们的元素都不会被自动排序，不过也都允许键值重复。

所以说白了，什么样的结构决定其什么样的性质，因为set/map/multiset/multimap都是基于RB-tree之上，所以有自动排序功能，而hash_set/hash_map/hash_multiset/hash_multimap都是基于hashtable之上，所以不含有自动排序功能，至于加个前缀multi_无非就是允许键值重复而已。

std::tr1::unordered_map 是无序哈希表，但操作效率要比 std::map、std::hash_map、 __gnu_cxx::hash_map 都要高，可以研究一下。

（二）、迭代器

1、迭代器Iterators，用来在一个对象群集（collection of objects）的元素上进行遍历。这个对象群集或许是个容器，或许是容器的一部分。迭代器的主要好处是，为所有容器提供了一组很小的公共接口。迭代器以++进行累进，以*进行提领，因而它类似于指针，我们可以把它视为一种smart pointer。

2、比如++操作可以遍历至群集内的下一个元素。至于如何做到，取决于容器内部的数据组织形式。

3、每种容器都提供了自己的迭代器，而这些迭代器能够了解容器内部的数据结构。

（三）、算法

算法Algorithms，用来处理群集内的元素。它们可以出于不同的目的而搜寻、排序、修改、使用那些元素。通过迭代器的协助，我们可以只需编写一次算法，就可以将它应用于任意容器，这是因为所有的容器迭代器都提供一致的接口。

（四）、适配器

1、适配器是一种接口类 为已有的类提供新的接口 目的是简化、约束、使之安全、隐藏或者改变被修改类提供的服务集合

2、三种类型的适配器： 容器适配器：用来扩展7种基本容器，它们和顺序容器相结合构成栈、队列和优先队列容器 迭代器适配器（反向迭代器、插入迭代器、IO流迭代器） 函数适配器（函数对象适配器、成员函数适配器、普通函数适配器）

（五）、函数对象

1、函数对象（function object）也称为仿函数（functor） 2、一个行为类似函数的对象，它可以没有参数，也可以带有若干参数。 3、任何重载了调用运算符operator()的类的对象都满足函数对象的特征 4、函数对象可以把它称之为smart function。 5、STL中也定义了一些标准的函数对象，如果以功能划分，可以分为算术运算、关系运算、逻辑运算三大类。为了调用这些标准函数对象，需要包含头文件<functional>。

（六）、分配器

负责空间配置与管理。从实现的角度来看，配置器是一个实现了动态空间配置、空间管理、空间释放的class template。

隐藏在这些容器后的内存管理工作是通过STL提供的一个默认的allocator实现的。当然，用户也可以定制自己的allocator，只要实现allocator模板所定义的接口方法即可，然后通过将自定义的allocator作为模板参数传递给STL容器，创建一个使用自定义allocator的STL容器对象，如： stl::vector<int, UserDefinedAllocator> array;

大多数情况下，STL默认的allocator就已经足够了。这个allocator是一个由两级分配器构成的内存管理器，当申请的内存大小大于128byte时，就启动第一级分配器通过malloc直接向系统的堆空间分配，如果申请的内存大小小于128byte时，就启动第二级分配器，从一个预先分配好的内存池中取一块内存交付给用户，这个内存池由16个不同大小（8的倍数，8~128byte）的空闲列表组成，allocator会根据申请内存的大小（将这个大小round up成8的倍数）从对应的空闲块列表取表头块给用户。

这种做法有两个优点：

（1)小对象的快速分配。小对象是从内存池分配的，这个内存池是系统调用一次malloc分配一块足够大的区域给程序备用，当内存池耗尽时再向系统申请一块新的区域，整个过程类似于批发和零售，起先是由allocator向总经商批发一定量的货物，然后零售给用户，与每次都向总经商要一个货物再零售给用户的过程相比，显然是快捷了。当然，这里的一个问题时，内存池会带来一些内存的浪费，比如当只需分配一个小对象时，为了这个小对象可能要申请一大块的内存池，但这个浪费还是值得的，况且这种情况在实际应用中也并不多见。

(2)避免了内存碎片的生成。程序中的小对象的分配极易造成内存碎片，给操作系统的内存管理带来了很大压力，系统中碎片的增多不但会影响内存分配的速度，而且会极大地降低内存的利用率。以内存池组织小对象的内存，从系统的角度看，只是一大块内存池，看不到小对象内存的分配和释放。

参考：

C++ primer 第四版 Effective C++ 3rd C++编程规范