C++ Primer 学习笔记_30_STL实践与分析（4）



STL实践与分析

--vector容器的自增长、容器的选用

一、vector容器的自增长

    如果,vector
必须重新分配存储空间,用来存放原来的元素以及新添加的元素:则存放在旧存储空间中的元素被复制到新存储空间里,接着插入新元素,最后撤销旧的存储空间。
    看上去无法忍受，但是对于大部分应用，使用vector容器是最好的，原因在于，标准库的实现者使用这样的内存分配策略：以最小的代价连续存储元素。由此带来的访问元素的便利弥补了其存储的代价！
    为了使vector容器实现快速的内存分配,其实际分配的容量要比当前所需的空间多一些。vector容器预留了这些额外的存储区,用于存放新添加的元素。于是,不必为每个新元素重新分配容器。所分配的额外内存容量的确切数目因库的实现不同而不同。比起每添加一个新元素就必须重新分配一次容器,这个分配策略带来显著的效率。事实上,其性能非常好,因此在实际应用中,比起
list和
deque容器,vector的增长效率通常会更高。

capacity和reserve成员
    vector类提供了两个成员函数:capacity和
reserve使程序员可与vector容器内存分配的实现部分交互工作。capacity操作获取在容器需要分配更多的存储空间之前能够存储的元素总数,而reserve操作则告诉vector容器应该预留多少个元素的存储空间。

[cpp]
view plaincopyprint?





vector<int> ivec;  
cout << "size: " << ivec.size() << endl;  
cout << "capacity: " << ivec.capacity() << endl;  
  
for (vector<int>::size_type index = 0; index != 24; ++index)  
{  
    ivec.push_back(index);  
}  
cout << "size: " << ivec.size() << endl;  
cout << "capacity: " << ivec.capacity() << endl;   

vector<int> ivec;
cout << "size: " << ivec.size() << endl;
cout << "capacity: " << ivec.capacity() << endl;

for (vector<int>::size_type index = 0; index != 24; ++index)
{
ivec.push_back(index);
}
cout << "size: " << ivec.size() << endl;
cout << "capacity: " << ivec.capacity() << endl;

ivec当前的状态如图：



现在可以如下预留额外的存储空间：

[cpp]
view plaincopyprint?





ivec.reserve(55);  
cout << "size: " << ivec.size() << endl;  
cout << "capacity: " << ivec.capacity() << endl;  

ivec.reserve(55);
cout << "size: " << ivec.size() << endl;
cout << "capacity: " << ivec.capacity() << endl;

下面的程序将预留的容量用完：

[cpp]
view plaincopyprint?





while (ivec.size() != ivec.capacity())  
{  
    ivec.push_back(0);  
}  
cout << "size: " << ivec.size() << endl;  
cout << "capacity: " << ivec.capacity() << endl;  

while (ivec.size() != ivec.capacity())
{
ivec.push_back(0);
}
cout << "size: " << ivec.size() << endl;
cout << "capacity: " << ivec.capacity() << endl;

此时，如果给容器添加新元素，则vector必须为自己重新分配空间：

[cpp]
view plaincopyprint?





ivec.push_back(44);  
cout << "size: " << ivec.size() << endl;  
cout << "capacity: " << ivec.capacity() << endl;  

ivec.push_back(44);
cout << "size: " << ivec.size() << endl;
cout << "capacity: " << ivec.capacity() << endl;

    每当vector容器不得不分配新的存储空间时,以加倍当前容量的分配策略实现重新分配。
    vector的每种实现都可自由地选择自己的内存分配策略。然而,它们都必须提供reserve和
capacity函数,而且必须是到必要时才分配新的内存空间。分配多少内存取决于其实现方式。不同的库采用不同的策略实现。

    此外,每种实现都要求遵循以下原则:确保push_back操作高效地在vector中添加元素。从技术上来说,在原来为空的vector容器上
n次调用push_back函数,从而创建拥有n个元素的vector容器,其执行时间永远不能超过n的常量倍。

[cpp]
view plaincopyprint?





//P287 习题9.30  
int main()  
{  
    vector<int> ivec;  
    for (vector<int>::size_type index = 0; index != 100; ++index)  
    {  
        ivec.push_back(index);  
        cout << "capacity: " << ivec.capacity() << endl;  
    }  
}  

//P287 习题9.30
int main()
{
vector<int> ivec;
for (vector<int>::size_type index = 0; index != 100; ++index)
{
ivec.push_back(index);
cout << "capacity: " << ivec.capacity() << endl;
}
}

二、容器的选用

分配连续存储元素的内存空间会影响内存分配策略和容器对象的开销。通过巧妙的实现技巧,标准库的实现者已经最小化了内存分配的开销。元素是否连续存储还会显著地影响:
    •在容器的中间位置添加或删除元素的代价。
    •执行容器元素的随机访问的代价。
程序使用这些操作的程度将决定应该选择哪种类型的容器。vector和
deque容器提供了对元素的快速随机访问,但付出的代价是,在容器的任意位置插入或删除元素,比在容器尾部插入和删除的开销更大。list类型在任何位置都能快速插入和删除,但付出的代价是元素的随机访问开销较大。

1、插入操作如何影响容器的选择
    list容器表示不连续的内存区域,允许向前和向后逐个遍历元素。在任何位置都可高效地insert或
erase一个元素。插入或删除list容器中的一个元素不需要移动任何其他元素。另一方面,list容器不支持随机访问,访问某个元素要求遍历涉及的其他元素。
    对于vector容器,除了容器尾部外,其他任何位置上的插入(或删除)操作都要求移动被插入(或删除)元素右边所有的元素。
    deque容器拥有更加复杂的数据结构。deque队列的两端插入和删除元素都非常快。在容器中间插入或删除付出的代价将更高。deque容器同时提供了list和
vector的一些性质:
    •与vector容器一样,deque
容器的中间insert或
erase元素效率比较低
    •不同于vector容器,deque容器提供高效地在其首部实现insert和
erase的操作,就像在vector容器尾部的一样。
    •与vector容器一样而不同于list容器的是,deque
容器支持对所有元素的随机访问。
    •在deque容器首部或尾部插入元素不会使任何迭代器失效,而首部或尾部删除元素则只会使指向被删除元素的迭代器失效。在deque容器的任何其他位置的插入和删除操作将使指向该容器元素的所有迭代器都失效。

2、元素的访问如何影响容器的选择
    vector和
deque容器都支持对其元素实现高效的随机访问。由于vector容器的每次访问都是距离其起点的固定偏移,因此其随机访问非常有效率。在list容器中,跳跃访问会变得慢很多。在list容器的元素之间移动的唯一方法是顺序跟随指针。比如从5号元素移动到15号元素必须遍历它们之间所有的元素。
    通常来说,除非找到选择使用其他容器的更好理由,否则vector容器都是最佳选择。

3、选择容器的提示
  下面列举了一些选择容器类型的法则:
    1.如果程序要求随机访问元素,则应使用vector或
deque容器。

    2.如果程序必须在容器的中间位置插入或删除元素,则应采用list容器。

    3.如果程序不是在容器的中间位置,而是在容器首部或尾部插入或删除元素,则应采用deque容器。

    4.如果只需在读取输入时在容器的中间位置插入元素,然后需要随机访问元素,则可考虑在输入时将元素读入到一个list容器,接着对此容器重新排序,使其适合顺序访问,然后将排序后的list容器复制到一个vector容器。

如果程序既需要随机访问又必须在容器的中间位置插入或删除元素,那应该怎么办呢?
    此时,选择何种容器取决于下面两种操作付出的相对代价:随机访问list容器元素的代价,以及在vector或
deque容器中插入/删除元素时复制元素的代价。通常来说,应用中占优势的操作(程序中更多使用的是访问操作还是插入/删除操作)将决定应该什么类型的容器。
    决定使用哪种容器可能要求剖析各种容器类型完成应用所要求的各类操作的性能。
【最佳实践】
    如果无法确定某种应用应该采用哪种容器,则编写代码时尝试只使用vector和lists容器都提供的操作:使用迭代器,而不是下标,并且避免随机访问元素。这样编写,在必要时,可以很方便地将程序从使用vector容器修改为使用list的容器。