第 4 章 容器

4.1 线性容器

std::array

看到这个容器的时候肯定会出现这样的问题:

  1. 为什么要引入 std::array 而不是直接使用 std::vector
  2. 已经有了传统数组,为什么要用 std::array?

先回答第一个问题,与 std::vector 不同,std::array 对象的大小是固定的,如果容器大小是固定的,那么可以优先考虑使用 std::array 容器。 另外由于 std::vector 是自动扩容的,当存入大量的数据后,并且对容器进行了删除操作, 容器并不会自动归还被删除元素相应的内存,这时候就需要手动运行 shrink_to_fit() 释放这部分内存。

std::vector<int> v;
std::cout << "size:" << v.size() << std::endl; // 输出 0
std::cout << "capacity:" << v.capacity() << std::endl; // 输出 0

// 如下可看出 std::vector 的存储是自动管理的,按需自动扩张
// 但是如果空间不足,需要重新分配更多内存,而重分配内存通常是性能上有开销的操作
v.push_back(1);
v.push_back(2);
v.push_back(3);
std::cout << "size:" << v.size() << std::endl; // 输出 3
std::cout << "capacity:" << v.capacity() << std::endl; // 输出 4

// 这里的自动扩张逻辑与 Golang 的 slice 很像
v.push_back(4);
v.push_back(5);
std::cout << "size:" << v.size() << std::endl; // 输出 5
std::cout << "capacity:" << v.capacity() << std::endl; // 输出 8

// 如下可看出容器虽然清空了元素,但是被清空元素的内存并没有归还
v.clear();
std::cout << "size:" << v.size() << std::endl; // 输出 0
std::cout << "capacity:" << v.capacity() << std::endl; // 输出 8

// 额外内存可通过 shrink_to_fit() 调用返回给系统
v.shrink_to_fit();
std::cout << "size:" << v.size() << std::endl; // 输出 0
std::cout << "capacity:" << v.capacity() << std::endl; // 输出 0

而第二个问题就更加简单,使用 std::array 能够让代码变得更加“现代化”,而且封装了一些操作函数,比如获取数组大小以及检查是否非空,同时还能够友好的使用标准库中的容器算法,比如 std::sort

使用 std::array 很简单,只需指定其类型和大小即可:

std::array<int, 4> arr = {1, 2, 3, 4};

arr.empty(); // 检查容器是否为空
arr.size(); // 返回容纳的元素数

// 迭代器支持
for (auto &i : arr)
{
// ...
}

// 用 lambda 表达式排序
std::sort(arr.begin(), arr.end(), [](int a, int b) {
return b < a;
});

// 数组大小参数必须是常量表达式
constexpr int len = 4;
std::array<int, len> arr = {1, 2, 3, 4};

// 非法,不同于 C 风格数组,std::array 不会自动退化成 T*
// int *arr_p = arr;

当我们开始用上了 std::array 时,难免会遇到要将其兼容 C 风格的接口,这里有三种做法:

void foo(int *p, int len) {
return;
}

std::array<int, 4> arr = {1,2,3,4};

// C 风格接口传参
// foo(arr, arr.size()); // 非法, 无法隐式转换
foo(&arr[0], arr.size());
foo(arr.data(), arr.size());

// 使用 `std::sort`
std::sort(arr.begin(), arr.end());

std::forward_list

std::forward_list 是一个列表容器,使用方法和 std::list 基本类似,因此我们就不花费篇幅进行介绍了。

需要知道的是,和 std::list 的双向链表的实现不同,std::forward_list 使用单向链表进行实现, 提供了 O(1) 复杂度的元素插入,不支持快速随机访问(这也是链表的特点), 也是标准库容器中唯一一个不提供 size() 方法的容器。当不需要双向迭代时,具有比 std::list 更高的空间利用率。

4.2 无序容器

我们已经熟知了传统 C++ 中的有序容器 std::map/std::set,这些元素内部通过红黑树进行实现, 插入和搜索的平均复杂度均为 O(log(size))。在插入元素时候,会根据 < 操作符比较元素大小并判断元素是否相同, 并选择合适的位置插入到容器中。当对这个容器中的元素进行遍历时,输出结果会按照 < 操作符的顺序来逐个遍历。

而无序容器中的元素是不进行排序的,内部通过 Hash 表实现,插入和搜索元素的平均复杂度为 O(constant), 在不关心容器内部元素顺序时,能够获得显著的性能提升。

C++11 引入了两组无序容器:std::unordered_map/std::unordered_multimapstd::unordered_set/std::unordered_multiset

它们的用法和原有的 std::map/std::multimap/std::set/set::multiset 基本类似, 由于这些容器我们已经很熟悉了,便不一一举例,我们直接来比较一下std::mapstd::unordered_map

#include <iostream>
#include <string>
#include <unordered_map>
#include <map>

int main() {
// 两组结构按同样的顺序初始化
std::unordered_map<int, std::string> u = {
{1, "1"},
{3, "3"},
{2, "2"}
};
std::map<int, std::string> v = {
{1, "1"},
{3, "3"},
{2, "2"}
};

// 分别对两组结构进行遍历
std::cout << "std::unordered_map" << std::endl;
for( const auto & n : u)
std::cout << "Key:[" << n.first << "] Value:[" << n.second << "]\n";

std::cout << std::endl;
std::cout << "std::map" << std::endl;
for( const auto & n : v)
std::cout << "Key:[" << n.first << "] Value:[" << n.second << "]\n";
}

最终的输出结果为:

std::unordered_map
Key:[2] Value:[2]
Key:[3] Value:[3]
Key:[1] Value:[1]

std::map
Key:[1] Value:[1]
Key:[2] Value:[2]
Key:[3] Value:[3]

4.3 元组

了解过 Python 的程序员应该知道元组的概念,纵观传统 C++ 中的容器,除了 std::pair 外, 似乎没有现成的结构能够用来存放不同类型的数据(通常我们会自己定义结构)。 但 std::pair 的缺陷是显而易见的,只能保存两个元素。

元组基本操作

关于元组的使用有三个核心的函数:

  1. std::make_tuple: 构造元组
  2. std::get: 获得元组某个位置的值
  3. std::tie: 元组拆包
#include <tuple>
#include <iostream>

auto get_student(int id)
{
// 返回类型被推断为 std::tuple<double, char, std::string>

if (id == 0)
return std::make_tuple(3.8, 'A', "张三");
if (id == 1)
return std::make_tuple(2.9, 'C', "李四");
if (id == 2)
return std::make_tuple(1.7, 'D', "王五");
return std::make_tuple(0.0, 'D', "null");
// 如果只写 0 会出现推断错误, 编译失败
}

int main()
{
auto student = get_student(0);
std::cout << "ID: 0, "
<< "GPA: " << std::get<0>(student) << ", "
<< "成绩: " << std::get<1>(student) << ", "
<< "姓名: " << std::get<2>(student) << '\n';

double gpa;
char grade;
std::string name;

// 元组进行拆包
std::tie(gpa, grade, name) = get_student(1);
std::cout << "ID: 1, "
<< "GPA: " << gpa << ", "
<< "成绩: " << grade << ", "
<< "姓名: " << name << '\n';
}

std::get 除了使用常量获取元组对象外,C++14 增加了使用类型来获取元组中的对象:

std::tuple<std::string, double, double, int> t("123", 4.5, 6.7, 8);
std::cout << std::get<std::string>(t) << std::endl;
std::cout << std::get<double>(t) << std::endl; // 非法, 引发编译期错误
std::cout << std::get<3>(t) << std::endl;

运行期索引

如果你仔细思考一下可能就会发现上面代码的问题,std::get<> 依赖一个编译期的常量,所以下面的方式是不合法的:

int index = 1;
std::get<index>(t);

那么要怎么处理?答案是,使用 std::variant<>(C++ 17 引入),提供给 variant<> 的类型模板参数 可以让一个 variant<> 从而容纳提供的几种类型的变量(在其他语言,例如 Python/JavaScript 等,表现为动态类型):

#include <variant>
template <size_t n, typename... T>
constexpr std::variant<T...> _tuple_index(const std::tuple<T...>& tpl, size_t i) {
if constexpr (n >= sizeof...(T))
throw std::out_of_range("越界.");
if (i == n)
return std::variant<T...>{ std::in_place_index<n>, std::get<n>(tpl) };
return _tuple_index<(n < sizeof...(T)-1 ? n+1 : 0)>(tpl, i);
}
template <typename... T>
constexpr std::variant<T...> tuple_index(const std::tuple<T...>& tpl, size_t i) {
return _tuple_index<0>(tpl, i);
}
template <typename T0, typename ... Ts>
std::ostream & operator<< (std::ostream & s, std::variant<T0, Ts...> const & v) {
std::visit([&](auto && x){ s << x;}, v);
return s;
}

这样我们就能:

int i = 1;
std::cout << tuple_index(t, i) << std::endl;

元组合并与遍历

还有一个常见的需求就是合并两个元组,这可以通过 std::tuple_cat 来实现:

auto new_tuple = std::tuple_cat(get_student(1), std::move(t));

马上就能够发现,应该如何快速遍历一个元组?但是我们刚才介绍了如何在运行期通过非常数索引一个 tuple 那么遍历就变得简单了, 首先我们需要知道一个元组的长度,可以:

template <typename T>
auto tuple_len(T &tpl) {
return std::tuple_size<T>::value;
}

这样就能够对元组进行迭代了:

// 迭代
for(int i = 0; i != tuple_len(new_tuple); ++i)
// 运行期索引
std::cout << tuple_index(i, new_tuple) << std::endl;

总结

本章简单介绍了现代 C++ 中新增的容器,它们的用法和传统 C++ 中已有的容器类似,相对简单,可以根据实际场景丰富的选择需要使用的容器,从而获得更好的性能。

std::tuple 虽然有效,但是标准库提供的功能有限,没办法满足运行期索引和迭代的需求,好在我们还有其他的方法可以自行实现。