C++ STL中各容器内存、优劣的分析

2023-05-16

STL有三大核心部分:容器(Container)、算法(Algorithms)、迭代器(Iterator)。以下介绍容器相关内容:

各种容器的元素在内存中的储存方式

1、vector(向量):相当于数组,但其大小可以不预先指定,并且自动扩展。它可以像数组一样被操作,

由于它的特性我们完全可以将vector 看作动态数组。在创建一个vector 后,它会自动在内存中分配一块连续的

内存空间进行数据存储,初始的空间大小可以预先指定也可以由vector 默认指定,这个大小即capacity ()函数

的返回值。当存储的数据超过分配的空间时vector 会重新分配一块内存块,但这样的分配是很耗时的,效率非常低。

2、deque(队列):它不像vector 把所有的对象保存在一块连续的内存块,而是采用多个连续的存储块,并且在一个

映射结构中保存对这些块及其顺序的跟踪。向deque 两端添加或删除元素的开销很小,它不需要重新分配空间。
3、list(列表):是一个线性链表结构,它的数据由若干个节点构成,每一个节点都包括一个信息块(即实际存储的数据)、

一个前驱指针和一个后驱指针。它无需分配指定的内存大小且可以任意伸缩,这是因为它存储在非连续的内存空间中,

并且由指针将有序的元素链接起来。
4、set, multiset, map, multimap 是一种非线性的树结构,具体的说采用的是一种比较高效的特殊的

平衡检索二叉树—— 红黑树结构。

各种容器优劣分析

1、Vector:
优点:
  A、支持随机访问,访问效率高和方便,它像数组一样被访问,即支持[ ] 操作符和vector.at()。
  B、节省空间,因为它是连续存储,在存储数据的区域都是没有被浪费的,但是要明确一点vector 大多情况下并不是满存的,在未存储的区域实际是浪费的。
缺点:
  A、在内部进行插入、删除操作效率非常低。
  B、只能在vector 的最后进行push 和pop ,不能在vector 的头进行push 和pop 。
  C、 当动态添加的数据超过vector 默认分配的大小时要进行内存的重新分配、拷贝与释放,这个操作非常消耗能。

2、List:
优点:
  不使用连续的内存空间这样可以随意地进行动态操作,插入、删除操作效率高;
缺点:
  A、不能进行内部的随机访问,即不支持[ ] 操作符和vector.at(),访问效率低。
  B、相对于verctor 占用更多的内存。

3、Deque:
优点:
  A、支持随机访问,方便,即支持[ ] 操作符和vector.at() ,但性能没有vector 好;
  B、可以在两端进行push 、pop 。
缺点:
  在内部进行插入、删除操作效率低。
综合:
    vector 的查询性能最好,并且在末端增加数据也很好,除非它重新申请内存段;适合高效地随机存储。 
list 是一个链表,任何一个元素都可以是不连续的,但它都有两个指向上一元素和下一元素的指针。所以它对插入、删除元素性能是最好的,而查询性能非常差;适合 大量地插入和删除操作而不关心随机存取的需求。
    deque 是介于两者之间,它兼顾了数组和链表的优点,它是分块的链表和多个数组的联合。所以它有被list 好的查询性能,有被vector 好的插入、删除性能。 如果你需要随即存取又关心两端数据的插入和删除,那么deque 是最佳之选。

3、关联容器的特点是明显的,相对于顺序容器,有以下几个主要特点:
A, 其内部实现是采用非线性的二叉树结构,具体的说是红黑树的结构原理实现的;
B, set 和map 保证了元素的唯一性,mulset 和mulmap 扩展了这一属性,可以允许元素不唯一;
C, 元素是有序的集合,默认在插入的时候按升序排列。

基于以上特点,
A, 关联容器对元素的插入和删除操作比vector 要快,因为vector 是顺序存储,而关联容器是链式存储;比list 要慢,是因为即使它们同是链式结构,但list 是线性的,而关联容器是二叉树结构,其改变一个元素涉及到其它元素的变动比list 要多,并且它是排序的,每次插入和删除都需要对元素重新排序;

B, 关联容器对元素的检索操作比vector 慢,但是比list 要快很多。vector 是顺序的连续存储,当然是比不上的,但相对链式的list 要快很多是因为list 是逐个搜索,它搜索的时间是跟容器的大小成正比,而关联容器 查找的复杂度基本是Log(N) ,比如如果有1000 个记录,最多查找10 次,1,000,000 个记录,最多查找20 次。容器越大,关联容器相对list 的优越性就越能体现;

C, 在使用上set 区别于vector,deque,list 的最大特点就是set 是内部排序的,这在查询上虽然逊色于vector ,但是却大大的强于list 。

D, 在使用上map 的功能是不可取代的,它保存了“键- 值”关系的数据,而这种键值关系采用了类数组的方式。数组是用数字类型的下标来索引元素的位置,而map 是用字符型关键字来索引元素的位置。在使用上map 也提供了一种类数组操作的方式,即它可以通过下标来检索数据,这是其他容器做不到的,当然也包括set 。(STL 中只有vector 和map 可以通过类数组的方式操作元素,即如同ele[1] 方式)。

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