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。

  1. std::vector<int> v;
  2. std::cout << "size:" << v.size() << std::endl;         // 输出 0
  3. std::cout << "capacity:" << v.capacity() << std::endl; // 输出 0
  5. // 如下可看出 std::vector 的存储是自动管理的，按需自动扩张
  6. // 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
  7. v.push_back(1);
  8. v.push_back(2);
  9. v.push_back(3);
  10. std::cout << "size:" << v.size() << std::endl;         // 输出 3
  11. std::cout << "capacity:" << v.capacity() << std::endl; // 输出 4
  13. // 这里的自动扩张逻辑与 Golang 的 slice 很像
  14. v.push_back(4);
  15. v.push_back(5);
  16. std::cout << "size:" << v.size() << std::endl;         // 输出 5
  17. std::cout << "capacity:" << v.capacity() << std::endl; // 输出 8
  19. // 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
  20. v.clear();                                             
  21. std::cout << "size:" << v.size() << std::endl;         // 输出 0
  22. std::cout << "capacity:" << v.capacity() << std::endl; // 输出 8
  24. // 额外内存可通过 shrink_to_fit() 调用返回给系统
  25. v.shrink_to_fit();
  26. std::cout << "size:" << v.size() << std::endl;         // 输出 0
  27. 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：

  1. std::array<int, 4> arr = {1, 2, 3, 4};
  3. arr.empty(); // 检查容器是否为空
  4. arr.size();  // 返回容纳的元素数
  6. // 迭代器支持
  7. for (auto &i : arr)
  8. {
  9.     // ...
  10. }
  12. // 用 lambda 表达式排序
  13. std::sort(arr.begin(), arr.end(), [](int a, int b) {
  14.     return b < a;
  15. });
  17. // 数组大小参数必须是常量表达式
  18. constexpr int len = 4;
  19. std::array<int, len> arr = {1, 2, 3, 4};
  21. // 非法,不同于 C 风格数组，std::array 不会自动退化成 T*
  22. // 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：

  1. void foo(int *p, int len) {
  2.     return;
  3. }
  5. std::array<int, 4> arr = {1,2,3,4};
  7. // C 风格接口传参
  8. // foo(arr, arr.size()); // 非法, 无法隐式转换
  9. foo(&arr[0], arr.size());
  10. foo(arr.data(), arr.size());
  12. // 使用 `std::sort`
  13. 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_multimap 和 std::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::map和std::unordered_map：

  1. #include <iostream>
  2. #include <string>
  3. #include <unordered_map>
  4. #include <map>
  6. int main() {
  7.     // 两组结构按同样的顺序初始化
  8.     std::unordered_map<int, std::string> u = {
  9.         {1, "1"},
  10.         {3, "3"},
  11.         {2, "2"}
  12.     };
  13.     std::map<int, std::string> v = {
  14.         {1, "1"},
  15.         {3, "3"},
  16.         {2, "2"}
  17.     };
  19.     // 分别对两组结构进行遍历
  20.     std::cout << "std::unordered_map" << std::endl;
  21.     for( const auto & n : u)
  22.         std::cout << "Key:[" << n.first << "] Value:[" << n.second << "]\n";
  24.     std::cout << std::endl;
  25.     std::cout << "std::map" << std::endl;
  26.     for( const auto & n : v)
  27.         std::cout << "Key:[" << n.first << "] Value:[" << n.second << "]\n";
  28. }

最终的输出结果为：

  1. std::unordered_map
  2. Key:[2] Value:[2]
  3. Key:[3] Value:[3]
  4. Key:[1] Value:[1]
  6. std::map
  7. Key:[1] Value:[1]
  8. Key:[2] Value:[2]
  9. 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
  1. #include <tuple>
  2. #include <iostream>
  4. auto get_student(int id)
  5. {
  6. // 返回类型被推断为 std::tuple<double, char, std::string>
  8. if (id == 0)
  9.     return std::make_tuple(3.8, 'A', "张三");
  10. if (id == 1)
  11.     return std::make_tuple(2.9, 'C', "李四");
  12. if (id == 2)
  13.     return std::make_tuple(1.7, 'D', "王五");
  14.     return std::make_tuple(0.0, 'D', "null");
  15.     // 如果只写 0 会出现推断错误, 编译失败
  16. }
  18. int main()
  19. {
  20.     auto student = get_student(0);
  21.     std::cout << "ID: 0, "
  22.     << "GPA: " << std::get<0>(student) << ", "
  23.     << "成绩: " << std::get<1>(student) << ", "
  24.     << "姓名: " << std::get<2>(student) << '\n';
  26.     double gpa;
  27.     char grade;
  28.     std::string name;
  30.     // 元组进行拆包
  31.     std::tie(gpa, grade, name) = get_student(1);
  32.     std::cout << "ID: 1, "
  33.     << "GPA: " << gpa << ", "
  34.     << "成绩: " << grade << ", "
  35.     << "姓名: " << name << '\n';
  36. }

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：

  1. std::tuple<std::string, double, double, int> t("123", 4.5, 6.7, 8);
  2. std::cout << std::get<std::string>(t) << std::endl;
  3. std::cout << std::get<double>(t) << std::endl; // 非法, 引发编译期错误
  4. 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：

  1. int index = 1;
  2. 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）：

  1. #include <variant>
  2. template <size_t n, typename... T>
  3. constexpr std::variant<T...> _tuple_index(const std::tuple<T...>& tpl, size_t i) {
  4.     if constexpr (n >= sizeof...(T))
  5.         throw std::out_of_range("越界.");
  6.     if (i == n)
  7.         return std::variant<T...>{ std::in_place_index<n>, std::get<n>(tpl) };
  8.     return _tuple_index<(n < sizeof...(T)-1 ? n+1 : 0)>(tpl, i);
  9. }
  10. template <typename... T>
  11. constexpr std::variant<T...> tuple_index(const std::tuple<T...>& tpl, size_t i) {
  12.     return _tuple_index<0>(tpl, i);
  13. }
  14. template <typename T0, typename ... Ts>
  15. std::ostream & operator<< (std::ostream & s, std::variant<T0, Ts...> const & v) { 
  16.     std::visit([&](auto && x){ s << x;}, v); 
  17.     return s;
  18. }

这样我们就能：

  1. int i = 1;
  2. 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：

  1. 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：

  1. template <typename T>
  2. auto tuple_len(T &tpl) {
  3.     return std::tuple_size<T>::value;
  4. }

这样就能够对元组进行迭代了：

  1. // 迭代
  2. for(int i = 0; i != tuple_len(new_tuple); ++i)
  3.     // 运行期索引
  4.     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。

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