深入理解C++ 容器类
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引言
C++ 标准库提供了丰富的容器（container）类型，用于存储和管理数据。这些容器不仅简化了编程工作，还提供了高效的数据管理和操作方法。本文将详细介绍 C++ 中常见的标准容器类，包括顺序容器、关联容器以及无序关联容器，并探讨它们的特点、使用场景及性能表现。
1. 顺序容器（Sequence Containers）
顺序容器是按照插入顺序存储元素的容器。它们支持随机访问、前向迭代和后向迭代。主要的顺序容器有 std::vector、std::deque、std::list 和 std::forward_list。
1.1 std::vector
- 特点：动态数组，支持快速随机访问。
- 优点：
- 连续内存分配，访问速度快。
- 支持高效的尾部插入和删除操作。
- 缺点：插入或删除中间元素效率较低，因为需要移动其他元素。
- 适用场景：当你需要快速访问和频繁在尾部插入/删除元素时。
- 示例代码：
#include
#include
int main() {
std::vector vec = {1, 2, 3, 4, 5};
vec.push_back(6); // 尾部插入
for (const auto& elem : vec) {
std::cout << elem << " ";
}
return 0;
} 1.2 std::deque（双端队列）
- 特点：两端都可以高效地插入和删除元素。
- 优点：
- 支持快速的前端和尾端插入/删除操作。
- 内存块不连续，但对用户透明。
- 缺点：随机访问比 std::vector 慢。
- 适用场景：需要频繁在两端进行插入和删除操作。
- 示例代码：
#include
#include
int main() {
std::deque dq = {1, 2, 3};
dq.push_front(0); // 前端插入
dq.push_back(4); // 尾部插入
for (const auto& elem : dq) {
std::cout << elem << " ";
}
return 0;
} 1.3 std::list（双向链表）
- 特点：双向链表，支持快速的任意位置插入和删除。
- 优点：插入和删除操作的时间复杂度为 O(1)，前提是已有迭代器指向插入点。
- 缺点：随机访问效率低。
- 适用场景：需要频繁在任意位置插入和删除元素。
- 示例代码：
#include
#include
int main() {
std::list lst = {1, 2, 3};
lst.insert(lst.begin(), 0); // 在开头插入
lst.push_back(4); // 在结尾插入
for (const auto& elem : lst) {
std::cout << elem << " ";
}
return 0;
}
1.4 std::forward_list（单向链表）
- 特点：单向链表，节省内存，只支持前向遍历。
- 优点：更少的内存开销，适用于只需要前向遍历的情况。
- 缺点：不支持双向遍历。
- 适用场景：当只需要前向遍历且希望节省内存时。
- 示例代码：
#include
#include
int main() {
std::forward_list flst = {1, 2, 3};
flst.push_front(0); // 在开头插入
for (auto it = flst.begin(); it != flst.end(); ++it) {
std::cout << *it << " ";
}
return 0;
}
2. 关联容器（Associative Containers）
关联容器以键值对的形式存储数据，并根据键自动排序。主要的关联容器有 std::set、std::map、std::multiset 和 std::multimap。
2.1 std::set
- 特点：键唯一，自动排序。
- 优点：查找、插入和删除操作的时间复杂度为 O(log n)。
- 适用场景：需要保证元素唯一性和有序性。
- 示例代码：
#include
#include
int main() {
std::set s = {5, 1, 3, 2, 4};
for (const auto& elem : s) {
std::cout << elem << " ";
}
return 0;
}
2.2 std::map
- 特点：键值对，键唯一，自动排序。
- 优点：快速查找、插入和删除操作。
- 适用场景：需要键值映射关系，并且键必须唯一。
- 示例代码：
#include
#include 2.3 std::multiset
- 特点：允许重复键，自动排序。
- 适用场景：允许相同元素存在，并保持有序性。
- 示例代码：
#include
#include
int main() {
std::multiset ms = {1, 2, 2, 3};
for (const auto& elem : ms) {
std::cout << elem << " ";
}
return 0;
} 2.4 std::multimap
- 特点：键值对，允许重复键，自动排序。
- 适用场景：允许多个键映射到同一个值，并保持有序性。
- 示例代码：
#include
#include
3. 无序关联容器（Unordered Associative Containers）
无序关联容器也以键值对形式存储数据，但不保证任何特定顺序。主要的无序关联容器有 std::unordered_set、std::unordered_map、std::unordered_multiset 和 std::unordered_multimap。
3.1 std::unordered_set
- 特点：键唯一，不保证顺序。
- 优点：平均查找、插入和删除操作的时间复杂度为 O(1)。
- 适用场景：需要快速查找、插入和删除操作，但不需要有序性。
- 示例代码：
#include
#include
int main() {
std::unordered_set us = {1, 2, 3, 4, 5};
for (const auto& elem : us) {
std::cout << elem << " ";
}
return 0;
} 3.2 std::unordered_map
- 特点：键值对，键唯一，不保证顺序。
- 优点：平均查找、插入和删除操作的时间复杂度为 O(1)。
- 适用场景：需要快速查找、插入和删除操作，但不需要有序性。
- 示例代码：
#include
#include
int main() {
std::unordered_map um = {{"apple", 1}, {"banana", 2}};
um["orange"] = 3;
for (const auto& [key, value] : um) {
std::cout << key << ": " << value << "\n";
}
return 0;
} 3.3 std::unordered_multiset
- 特点：允许重复键，不保证顺序。
- 适用场景：允许相同元素存在，但不需要有序性。
- 示例代码：
#include
#include
int main() {
std::unordered_multiset ums = {1, 2, 2, 3};
for (const auto& elem : ums) {
std::cout << elem << " ";
}
return 0;
} 3.4 std::unordered_multimap
- 特点：键值对，允许重复键，不保证顺序。
- 适用场景：允许多个键映射到同一个值，但不需要有序性。
- 示例代码：
#include
#include
int main() {
std::unordered_multimap umm = {{1, "apple"}, {1, "orange"}, {2, "banana"}};
for (const auto& [key, value] : umm) {
std::cout << key << ": " << value << "\n";
}
return 0;
}
总结
C++ 标准库中的容器类为开发者提供了强大的工具来管理数据。选择合适的容器类型取决于具体的应用需求，例如是否需要有序性、是否允许重复元素、是否需要快速的查找和插入等。通过合理选择和使用这些容器，可以编写出更高效、更易维护的代码。