STL中常用容器的選擇
今天去面試問到了stl的常用容器演算法問題，但是提前沒準備，平時也沒太在意，還有就是忘了。總之，回答得很狼狽。
希望能在這裡整理一下，首先看了一下《STL原始碼剖析》中對STL六大元件是這樣介紹的：
容器（containers）：各種資料結構，用來存放資料。從實現的角度看，容器是一種class template。
演算法（algorithms）：各種常用演算法，如sort，search，copy...從實現角度看，演算法是一種function template。
迭代器（iterators）：扮演容器與演算法之間的膠合劑，是所謂的泛型指標。共有五種型別，及其他的衍生變化。從實現角度看，迭代器是一種將operator*，operator->，operator++，operator--等指標相關操作予以過載的class template。所有STL容器都附帶有自己的專屬容器——是的，只有容器設計者才知道如何遍歷自己的元素。
仿函式（functors）：行為類似函式，可以作為演算法的某種策略。從實現角度看，仿函式是過載了一種operator()的class或class template。
配接器（adapters）：一種用來修飾容器或仿函式或迭代器介面的東西。配接器的實現技術很難一言以蔽之，不許逐一分析。
配置器（allocators）：負責空間配置與管理。從實現的角度看，配置器是一個實現了動態空間配置，空間管理，空間釋放的class template。
記得我第一次看這裡的時候，對這些元件是沒弄懂的，只是囫圇吞棗。看樣子書還是要重複的看才行，隔一段時間再看，一些不懂的東西可能就豁然開朗了。
六大元件之間的關係如下：
根據資料在容器中的排列特性，可分為序列式容器和關聯式容器：
容器
序列式容器
所謂序列式容器，其中的元素都可序，但未必有序。
vector
vector其實和標準庫中的陣列array十分相似。若在用C++程式設計中，你想到了用陣列，那比較好的建議是你可以用vector。他們之間的區別是，陣列是靜態的，空間分配需要程式設計師自己來管理；而vector是動態的，由它的內部機制自己管理記憶體空間。
vector的內部機制，關鍵在於其對空間大小的控制以及重新分配時的資料移動效率。vector採用的是線性的連續空間，在新增元素時，如果超過當時的容量，則容量會擴充至現有的兩倍。不是簡單的增加一個元素空間，因為在連續空間中擴充空間是一個比較複雜的過程，需要重新配置、移動資料、釋放原空間。但是，在erase元素時，容量大小是不會變的。
從效率上看，由於vector是連續的，所以隨機讀取效率很高，但是insert操作，效率比較低。若需要頻繁的進行插入，vector不是很好的選擇。
list
list的資料結構是一個迴圈雙向連結串列，所以只需要一個指標，可以遍歷整個連結串列。list的這種結構，使插入的效率比較高。
list和vector是兩個比較常用的容器，選擇哪一個必須視情況而定。list提供的元素操作很多，這裡稍微列舉一些：
push_front \ pop_front :插入\移除頭結點
push_back \ pop_back :插入\移除尾節點
clear:移除所有節點
remove(value):將數值為value的所有元素移除
unique:移除數值相同的連續元素。只有連續相同的元素，才會被移除剩餘一個。
splice(iterator position, list<T,Allocator>& x ):將x移動到pos位置之前，x必須不同於*this，x中的元素會刪除
splice ( iterator position, list<T,Allocator>& x, iterator i ):將i所指元素，移動到pos之前，pos和i可以是同一個list，在x中i會被刪除
splice ( iterator position, list<T,Allocator>& x, iterator first, iterator last ):將[first, last]內的所有元素移動到pos之前，pos和[first, last]可以指向同一個list，但pos不能在[first, last]之內。[first, last]將從x中刪除。
merge(list& x):將x合併到*this身上，兩個list的內容必須經過遞增排序
reverse():將sort的內容逆向重置。
sort():list不能使用STL的演算法sort，必須使用自己的成員函式sort()
list有一個重要性質：insert和splice都不會造成原有的list迭代器失效。這在vector中是不成立的，因為vector的insert操作會造成空間重新配置，原有的迭代器全部失效。要理解這句話，要結合例項思考一下。
deque
deque 顧名思義是雙端佇列，可以在頭尾兩端分別做元素的插入和刪除操作。從邏輯上看，deque是一種雙向開口的連續線性空間。實際上，它是由分段的連續空間組合而成。跟vector不一樣，它沒有容量的概念。在擴充空間的時候，不用像vector那樣重新配置、移動資料、釋放原空間。deque由一段一段的定量連續空間組成，一旦有必要在deque兩端及頭部或尾部新增加空間，便配置一段定量的連續空間，串接在整個deque的頭部或尾部。
deque是分段連續空間，要維持“整體連續”的假象，由deque的迭代器完成。
map中控器，緩衝區和迭代器的相互關係如下圖所示：
deque的資料結構與記憶體管理，可以由如下圖說明：
從上面三個圖片可以發現一個問題：當最後一個緩衝區滿了，會多分配一個新的緩衝區備用；但當第一個緩衝區滿了，再push_front新元素時，才會分配新的緩衝區。設計者們為什麼要這樣做？在pop元素時，在尾端和頂端釋放緩衝區時是否也會這樣？現在還不知道。。。。
這裡有個比較關心的問題，map是如何工作的？當push_back和push_front，備用空間不足時，map是怎麼增加節點的，當map容量不夠時，有時如何重新配置更大map的。這個問題的實現是由reserve_map_at_back和reserve_map_at_front完成的，最終實現是由reallocate_map()執行的。
void reserve_map_at_back(size_type nodes_to_add = 1)
{
if(nodes_to_add +1 > map_size - (finish.node - map)) //nodes_to_add+1和reserve_map_at_front中的不加1，可以看出處理第一緩衝區滿和最後一個緩衝區滿的區別reallocate_map(nodes_to_add, false); } void reserve_map_at_front(size_type nodes_to_add = 1) { if(nodes_to_add > start.node - map) reallocate_map(nodes_to_add, false); } template<class T, class Alloc, size_t BufSize> void deque<T, Alloc, BufSize>::reallocate_map(size_type nodes_to_add, bool add_at_front) { size_type old_num_nodes = finish.node - start.node +1; size_type new_num_nodes = old_num_nodes + nodes_to_add; if(map_size > 2 * new_num_nodes) { //在原有的map下操作 } else { //配置一塊新的map空間 } } deque的元素操作：pop_back, pop_front, clear, erase, insert pop_back/pop_front: pop元素的時候，若剛好最後一個緩衝區沒有元素或第一個緩衝區只有一個元素，則要對該緩衝區進行釋放。 clear:deque在最初狀態會保留一個緩衝區，clear之後會回到初始狀態。 erase：可以清除一個元素，也可以清除一個區間的元素。 insert:允許在某個點之前插入一個元素，並設定其值。很容易想象的出來，因為deque的假象是“整體連續”的，所以插入的效率並不會很高，若插入點之前的元素比較少，則移動前面的元素；否則，移動插入點後面的元素。
queue和stack其實是非容器，準確說應該是配接器。它們底層是用其他容器實現的，預設通過deque，用list也可以。這裡暫且把他倆放在容器這塊。
stack
stack是一種先進後出的資料結構，只允許在一端插入元素和移出或取得最頂端元素。 STL中stack是以某種既有的容器為底部結構，將其介面改變，使其符合stack“先進後出”的特性。所以往往我們並不把stack歸結為容器，而是被歸類為配接器。 template<class T, class Sequence = deque<T> > class stack{ ..... } 從stack的原始碼可以看到，只要底層容器的函式有empty，size，back，pop_back, push_back, 就可以作為stack的底層容器。list和deque都符合，stack的預設底層容器是deque。 還要注意點，stack必須符合先進後出的特性，且只允許在頂端操作，所以stack是不提供迭代器的。queue
queue是一種“先進先出”的資料結構。只允許底端加入元素，頂端取出元素，沒有其他方法可以存取queue的其他元素，即不可以實現遍歷。queue和stack一樣，被歸類為配接器，不應該屬於容器。也可以通過既有容器deque，list作為它的底部結構。queue也沒有迭代器。
關聯式容器
set
set的特性是，所有元素都會根據元素的鍵值進行自動排序。set元素的鍵值就是實值，不允許兩個元素有相同的鍵值。不能根據set的迭代器改變set的元素值，因為元素的實值就是set的鍵值，改變會破壞排序規則。
set擁有和list某些相同的性質：當進行元素新增操作或刪除操作後，操作之前的所有迭代器都依然有效，除了被刪除的那個元素的迭代器。
set採用的底層機制是紅黑樹--RB-tree。紅黑樹是一種平衡二叉搜尋樹，自動排序的效果很不錯。
注意一點：在set中一般不用stl中的find演算法，一般用set提供的find方法更有效率。
multiset的特性以及用法 和set完全一樣，唯一區別是multiset允許鍵值重複。因為它的插入操作採用的是RB-tree的insert_equal，而不是insert_unique。
map
map的特性是，所有的元素會根據元素的鍵值自動排序，map的所有元素都是pair，pair的第一元素視為鍵值，第二元素視為實值。map不允許元素擁有相同的鍵值，不可改變map的鍵值，但可以修正元素的實值。
map在進行新增操作或刪除操作之後，操作之前的迭代器也都依然有效。因為map和set一樣，底層也是採用紅黑樹——RB-tree來實現。
multimap的特性以及用法 和map完全一樣，唯一區別是multimap允許鍵值重複。因為它的插入操作採用的是RB-tree的insert_equal，而不是insert_unique。
priority_queue
priority_queue 是一個擁有權值的queue，其內的元素並非按照被推入的次序排列，而是依照元素的權值排列。在預設情況下，priority queue底層是利用max heap完成，大頂堆是通過vector實現的完全二叉樹——complete binary tree。
heap並不屬於STL容器元件，它是個幕後英雄，扮演priority_queue的助手。binary heap是一種完全二叉樹，有max heap和min heap之分，STL中採用的是max heap——大頂堆。所以priority queue允許使用者以任何次序將元素推入容器內，但取出時一定從優先順序最高的元素開始取。
可以思考，priority queue為什麼不採用list或binary search tree作為底層機制？
若使用list，元素插入達到常數級別，但取出極值，需要對整個list線性掃描；也可先對list進行排序，這時取極值很快，但插入操作只有線性表現。
若使用binary search tree， 插入和取極值的時間複雜度都可達到o(log(n))， 但一來二叉查詢樹的輸入需要足夠的隨機性（沒弄懂）；二來binary search tree的實現不容易。
hashtable
hash table實現是通過hash function實現的，但hash function 會帶來“碰撞”問題。避免元素“碰撞”的方法比較多，常用的是二次線性探測和開鏈法。在STL中，hash table採用的是開鏈法。
template<class Value>
struct __hashtable_node{
__hashtable_node* next;
Value val;
}
注意一點，hashtable的迭代器沒有後退操作。
hashtable的模版引數很多，要正確運用它不太容易。
template<class Value, class Key, //節點的實值型別
class HashFcn, //節點的鍵值型別
class ExtractKey, //從節點中取出鍵值的方法（函式或仿函式）
class EqualKey, //判斷鍵值相同與否的方法（函式或仿函式）
class Alloc>//空間配置器，預設std::alloc
class hashtable{
....
}
雖然開鏈法（separate chaining）並不要求表格大小為質數， 但SGI STL仍以質數來設計表格大小。並且先將28個質數計算好（大約兩倍的關係）， 以備隨時訪問, 同時提供一個函式，用來查詢28個質數中，最接近某數並大於某數的質數。
在進行插入操作時，表格有可能會重建。表格是否重建的判斷，是拿元素個數和bucket vector的大小來比，若前者大於後者，則重建。表格重建操作分解：
前面說過，hashtable是通過hash functions實現的，其實hash functions只是用來計算元素位置的函式，STL中定義有現成的hash functions，全都是仿函式。通過呼叫hash functions，取得一個可以對hashtable進行模運算的值。char，int， long等整數型別，hash functions什麼都沒做，返回原值，但對字串（const char*）,需要設計轉換函式。因此，stl中的hashtable很多型別是不支援的，比如：string，float，double。要處理這些，就必須自己定義hash functions。
hash_set
hash_set是以hashtable為底層機制，RB-tree有自動排序功能而hash table沒有，因此set的元素有自動排序功能，而hash_set沒有。這是它倆的唯一區別，其他操作是一樣的。
hash_multiset與multiset的操作基本一樣，唯一區別也是無自動排序功能。
hash_map
hash_map底層機制也是hash table，與map的區別也是五排序功能。hash_multimap，亦如此。