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# STL 容器

## 目录

- [概念](#)
- [通性](#)
- [序列容器](#)
  - [vector](#)
  - [deque](#)
  - [list](#)
- [关联容器](#)
  - [set](#)
  - [multiset](#)
  - [map](#)
  - [multimap](#)
- [无序容器](#)
  - [`unordered_set`](#unordered_set)
  - [`unordered_multiset`](#unordered_multiset)
  - [`unordered_map`](#unordered_map)
  - [`unordered_multimap`](#unordered_multimap)
- [预定义函数符](#)

## 概念

**函数符**概念

其实就是重载了()的伪函数

- 生成器:无参数
- 一元函数:一个参数
- 二元函数:两个参数
- 谓词:返回bool的一元函数
- 二元谓词:返回bool的二元函数

## 通性

+ `begin()` 和 `end()`  用于获取容器的迭代器,指向容器的第一个元素和最后一个元素的“后继”
+ `rbegin()` 和 `rend()` 用于获取容器的反向迭代器，指向容器的最后一个元素和第一个元素的“前驱”位置
+ `size()` 返回容器中元素的数量
+ `empty()` 如果容器为空，返回true；否则返回false
+ `max_size()` 返回容器可能存储的最大元素数量
+ `clear()` 清空容器中的所有元素，但不释放内存
+ `swap()` 交换两个容器的内容
+ `data()` **仅适用于序列容器** 返回指向容器底层存储的指针
  + 提供对容器底层数据的直接访问
  + 适用于需要与C语言风格的API交互的场景
+ `front()` 和 `back()` **仅适用于序列容器** 返回容器的第一个元素和最后一个元素的引用
+ `operator[]` 和 `at()` **仅适用于序列容器** 访问容器中的特定元素
  + at() 进行边界检查，如果索引超出范围，会抛出`std::out_of_range`异常

## 序列容器

存储元素的顺序与插入顺序一致

### vector

1. 定义和初始化

`std::vector<int> vec1;  // 定义一个空的 vector`  
`std::vector<int> vec2 = {1, 2, 3, 4, 5};  // 使用初始化列表初始化`  
`std::vector<int> vec3(10, 0); // 10个元素，初始值为0`  
`std::vector<int> vec4(vec2);  // 拷贝构造`
`std::vector<int> vec5(std::move(vec2));  // 移动构造`

2. 元素访问

支持序列容器的大部分访问方法

3. 修改容器

`push_back()` 在容器末尾添加一个元素
`pop_back()` 删除容器末尾的元素  
`insert()` 在指定位置插入一个或多个元素
`erase()` 删除指定位置的元素

4. 容量和大小

`capacity()` 返回容器当前分配的内存容量（以元素数量计）
`reserve()` 预分配内存，减少动态扩展的次数
`shrink_to_fit()` 收缩内存，释放多余空间

__使用技巧__

1. 预分配内存

如果知道容器将存储大量元素，可以使用 reserve() 预分配内存，以减少动态扩展的次数

2. 使用 `std::move()`

`vec2.push_back(std::move(vec1[0])); // 将vec1的第一个元素移动到vec2`

3. 使用vector的bool值特性

`std::vector<bool>` 是一个特化版本，它使用位存储来优化空间占用，但可能会牺牲某些操作的性能

4. 使用 `std::vector` 的指针特性

如果需要存储动态分配的对象，可以使用 `std::vector<std::unique_ptr<T>>` 或 `std::vector<std::shared_ptr<T>>`


__vector 的 capacity 和 size 属性区别__

size 是当前 vector 容器真实占用的大小，也就是容器当前拥有多少个容器。

capacity 是指在发生 realloc 前能允许的最大元素数，即预分配的内存空间。

使用 resize() 容器内的对象内存空间是真正存在的。

使用 reserve() 仅仅只是修改了 capacity 的值，容器内的对象并没有真实的内存空间(空间是"野"的)。

### deque
1. 插入和删除
  + `push_back()` 和 `pop_back()`：尾部操作
  + `push_front()` 和 `pop_front()`：头部操作
  + `insert()` 和 `erase()`：在任意位置插入或删除

2. 大小操作
  + `resize()`：调整容器大小

__使用技巧__
> 高效头部操作：`deque` 是处理头部和尾部频繁插入删除的理想选择
> 随机访问优化：虽然 `deque` 的内存不连续，但通过下标访问效率较高
> 排序：由于支持随机访问，可以使用 `std::sort` 对 `deque` 进行排序
> 迭代器失效：在添加或删除元素后，迭代器可能失效，需要重新获取

__注意事项__
> 内存不连续：`deque` 的元素可能分散在多个内存块中，但通过下标或迭代器访问不会受到影响
> 迭代器失效：在容器大小发生变化时（如插入或删除元素），迭代器可能会失效
> 性能权衡：虽然 `deque` 在头部和尾部操作高效，但在中间插入或删除元素的性能不如 `list`

__相比vector的优势__
> 头部操作高效：deque 在头部插入和删除操作的时间复杂度为 O(1)，而 vector 为 O(n)。
> 动态变化灵活：deque 的*分块内存*分配使其更灵活，性能损耗更小,且内存不足时不用搬运所有元素
> 随机访问性能接近：虽然 deque 的随机访问效率略低于 vector，但差距不大

### list
1. 特点
  + 双向链表结构：每个元素包含指向前后元素的指针，支持双向遍历
  + 高效插入和删除：在任意位置插入或删除元素的时间复杂度为 O(1)，前提是已知位置
  + 不支持随机访问：无法通过索引直接访问元素，只能通过迭代器遍历
  + 稳定的迭代器：插入和删除操作不会使迭代器失效，除非删除了迭代器所指向的元素

1. 插入和删除
  + `push_back()` 和 `pop_back()`：尾部操作
  + `push_front()` 和 `pop_front()`：头部操作
  + `insert()` 和 `erase()`：在任意位置插入或删除

2. 其他
  + resize()：调整容器大小
  + swap()：交换两个 list 的内容
  + splice()：将一个 list 的元素插入到另一个 list 的指定位置
  + sort()、merge()、reverse()：排序、合并和反转

__注意事项__
> 不支持随机访问：无法通过索引访问元素，只能通过迭代器
> 内存开销：每个元素存储额外的指针，内存开销较大
> 缓存局部性差：元素不连续存储，遍历性能不如 std::vector
> 适用场景有限：只有在需要频繁中间插入和删除时才适合使用


## 关联容器

存储元素时会自动排序，通常基于键值对

### set 
基于红黑树实现 适用于需要去重、排序和*高效查找*的场景

1. 特点
  + 元素唯一性：容器中不允许存储重复元素
  + 自动排序：元素会根据指定的比较规则自动排序，默认为升序
  + 高效查找：插入、删除和查找操作的时间复杂度均为 O(log n)

2. 构造与初始化
  + 默认构造
  + 初始化列表
  + 拷贝构造
  + 自定义比较规则
```
struct Compare {
    bool operator()(int a, int b) const {
        return a > b;  // 降序排序
    }
};
```

3. 常用操作
  + 插入元素 `s1.insert(5);`
  + 删除元素 `s1.erase(3);  // 删除值为 3 的元素`
  + 查找元素 `s1.find(4);  // 返回指向元素的迭代器，未找到时返回 s1.end()`
  + 统计元素 `int count = s1.count(4);`
  + 范围查询 
```
auto lower = s1.lower_bound(3);  // 返回第一个 >= 3 的元素的迭代器
auto upper = s1.upper_bound(5);  // 返回第一个 > 5 的元素的迭代器
```

4. 高级用法
  + 自定义排序规则:使用仿函数或 `std::greater` 可以改变排序规则
  + 存储复杂数据类型:可以存储 `std::pair` 或自定义结构体，通过自定义比较函数排序
  + 范围删除 `s1.erase(s1.lower_bound(10), s1.upper_bound(50));  // 删除值在 [10, 50) 范围内的所有元素`

__注意事项__
> 修改元素：无法直接修改容器中的元素值，需要先删除再插入
> 性能开销：由于自动排序的特性，插入和删除操作比无序容器慢
> 迭代器失效：插入操作不会使迭代器失效，但删除操作会使指向被删除元素的迭代器失效

### map
用于存储键值对（key-value pairs），并根据键自动排序

1. 特点
  + 键的唯一性：每个键在 map 中是唯一的，不允许重复
  + 自动排序：容器会根据键的默认比较规则（通常是 < 运算符）自动排序
  + 高效操作：插入、删除和查找操作的时间复杂度均为 O(log n)，其中 n 是容器中元素的数量

2. 常用操作
  + 插入元素:`map1.insert({4, "four"});`或`map1[5] = "five";  // 如果键不存在，则插入新键值对；如果键存在，则更新值`
  + 查找元素:`map1.find(3);` 或者使用 `operator[]` 直接访问键对应的值
  + 删除元素:`map1.erase(3);  // 删除键为 3 的元素。`

## 无序容器

存储元素时不排序，基于哈希表实现

## 预定义函数符

+ `+`  plus
+ `-`  minus
+ `*`  multiplies
+ `/`  divides
+ `%`  modulus

+ `==` `equal_to`
+ `!=` `not_equal_to`
+ `>`  `greater`
+ `<`  `less`
+ `>=` `greater_equal`
+ `<=` `less_equal`
+ `&&` `logical_and`
+ `||` `logical_or`
+ `!`  `logical_not`