C++候捷stl-视频笔记1

认识headers、版本、重要资源

STL的核心思想是泛型编程

新式头文件内的组件封装在命名空间std中：
using namespace std;
using std::cout;或std::vector vec;
旧式头文件内的组件不封装在命名空间std中

注:不建直接使用using namespace xxx，如果使用的头文件有被外部文件引用，有命名冲突的风险。建议打开具体的使用对象，如using std::cout;，或者使用时打开std::string a;
http://www.cplusplus.com/
https://en.cppreference.com/w/
http://gcc.gnu.org/

STL体系结构基础介绍

STL六大部件：：
容器：放数据的模版类，帮我们解决掉内存的问题
分配器：是来支持容器将数据放到内存里
算法：是一个个函数来处理存放在容器里的数据，一种模版函数（模版编程，与oop不同，操作数据的函数与数据不在一起）
迭代器：一套访问容器的接口，类似泛化的指针
仿函数：作用类似函数，例如相加相减等等
适配器：有三种，分别将容器，迭代器，仿函数来进行一个转换
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allocator 是分配器（一般忽略），vector 是容器，count_if 是算法
vi.begin() 是迭代器
not1，bind2nd是适配器
less 是仿函数

判断条件 predicate 为：not1(bind2nd(less(), 40)) —— 表示 >= 40 数为真(小于40的否定)

容器为前闭后开区间
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容器之分类与各种测试

序列式容器：按照元素的存储顺序依次排列
Array：容量大小固定
Vector：单端进出，容量大小可动态扩展
Deque：双端可进可出
List：双向循环链表，不连续
Forward-List：内存占用少于双向链表
关联式容器：包括键和值，适合快速查找
集合（Set/Multiset）：由红黑树（高度平衡二叉树）实现，key就是value，value就是key。mult元素可重复
映射表（Map/Multimap）：由红黑树（高度平衡二叉树）实现。mult键值可重复
不定序容器：底层使用哈希表实现。
无序集合（Unordered Set/Multiset）：由哈希表实现
无序映射表（Unordered Map/Multimap）：由哈希表实现
哈希表包括若干个bucket，每个bucket对应一个链表。哈希冲突时，应避免每个bucket对应的链表长度过长而导致元素搜索时间较长
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Array：50万个元素，随机填充容器47ms， 0-32767查找20000，排序和搜索187ms（二分查找前需排序）
vector：push_back100万个元素。每次push_back申请的空间以两倍增长，会申请预留空间。size是大小，capacity是申请的内存空间大小；是另外找一个两倍大的空间。可能出现申请内存空间不足，需要try，catch抓取异常。 随机数据填充容器：3063ms；直接搜索，次序查找：0ms（搜索时间看运气，运气很好）；排序后二分查找：2765ms。
list：push_back100万个元素。随机数据填充容器：3265ms；直接搜索：16ms；排序：2312ms。 c.sort(); 是容器自带的排序函数，如果容器自带肯定是要比全局的排序函数好的
forward_list：forward_list 只有 c.push_front(); 且没有 forward_list.back() forward_list.size()。100万个元素。随机数据填充容器：3204ms；直接搜索：15ms；排序：2656ms
deque：类似vector，两边都能扩充，实际上是分段连续的。其是通过 map（是一个vector，但在扩充时会 copy 到中间）里的指针指向各个 buffer，buffer 里再存数据，每个 buffer 的大小一致，每次扩充都是扩充一个指针指向一个新的 buffer。随机数据填充容器：2704ms；直接搜索：15ms；排序：3110ms
(关联性容器查找都非常快)
栈stack和队列queue底层依赖于deque容器，由于其没有自己的数据结构，因此不把stack和queue作为容器，而作为容器适配器；
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multiset:有自己提供用于查找的find()函数时，效率更高。insert自动排序，底层结构是红黑树。随机数据填充容器：6609ms（其在填充的时候就进行排序了）；直接搜索 ::find()：203ms；c.find()：0ms
multimap：multimap.inset(pair<int,string>),要自己组合pair<int,string>元素放进去。随机数据填充容器：4812ms（其在填充的时候就进行排序了）；c.find()：0m
unordered_multiset:bucker_count()篮子数量，篮子一定比元素多，每个篮子的链表不能太长(经验法则：当元素个数大于等于bucket个数时，bucket个数会扩充至约原先的2倍。)。bucket_size()可以看篮子里有多少数量。随机数据填充容器：4406ms；直接搜索 ::find()：109ms；c.find()：0ms；前二十个 bucket 中只有一个有24个元素
unordered_multimap与unordered_multiset类似
set：key就是value，value就是key，插入重复的值，不会增长元素
map：[]会自动合成Pair格式

分配器之测试

容器需要分配器allocator作为支撑；每个容器类都有默认的容器分配器allocator（模板参数使用默认值）。

template<typename _Tp, typename _Alloc = std::allocator<_Tp>>	// 使用默认参数
class vector : protected _Vector_base<_Tp, _Alloc>
    
template<typename _Tp, typename _Alloc = std::allocator<_Tp>>	// 使用默认参数
class list : protected _List_base<_Tp, _Alloc>
    
template<typename _Tp, typename _Alloc = std::allocator<_Tp>>	// 使用默认参数
class deque : protected _Deque_base<_Tp, _Alloc>
    
template<typename _Key, typename _Compare = std::less<_Key>,
			typename _Alloc = std::allocator<_Key>>
class set ...
    
template<typename _Key, typename _Tp, typename _Compare = std::less<_Key>,
			typename _Alloc = std::allocator<std::pair<_Key, _Tp>>
class map ...
    
template<class _Value, class _Hash = hash<_Value>, 
			class _Pred = std::equal_to<_Value>, class _Alloc = std::allocator<_Value>>
class unordered_set ...
    
template<class _Key, class _Tp, class _Hash = hash<_Key>, 
			class _Pred = std::equal_to<_Key>,
			class _Alloc = std::allocator<std::pair<_Key, _Tp>>
class unordered_map ...

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不建议手动使用分配器直接管理内存 allocate()和deallocate()函数，释放内存时需释放指针和对应大小的内存。

面向对象编程（OOP） vs. 泛型编程（GP）

OOP=数据+操作，OOP是想要把data和method关联在一起打包

// list容器的迭代器不支持随机访问
template <class T, class Alloc = alloc>
class list {
    ...
    void sort();	// list容器类的成员函数sort()
};

标准库中很少有继承关系，因此虚函数很少，关系比较简单

GP是将data和methods分开来
容器类

// vector容器的迭代器支持随机访问
template <class T, class Alloc = alloc>
class vector {
    ...
};

// deque容器的迭代器支持随机访问
template <class T, class Alloc = alloc, size_t BufSiz = 0>
class deque {
    ...
};

Alogorithm是全局函数

/* STL标准库提供的全局::sort() */
// ::sort(c.begin(), c.end())
template <class RandomAccessIterator>	// 随机访问迭代器
inline void sort(RandomAccessIterator first, RandomAccessIterator last) {
	...
}

template <class RandomAccessIterator, class Compare> // 比较规则
inline void sort(RandomAccessIterator first, RandomAccessIterator last, Compare comp) {
	...
}

Containers和Alogorithm可以各自闭门造车，然后以iterator联通既可
Alogorithm通过Iterator确定操作范围，并通过Iterators取用Continer元素；

/* max函数的重载 */
template <class T>
inline const T& max(const T& a, const T& b) {
    return a < b ? b : a;
}

// Compare 自定义的比较规则
template <class T, class Compare>
inline const T& max(const T& a, const T& b, Compare comp) {
    return comp(a, b) ? b : a;
}

在标准库中操作符重载变得至关重要

为什么list不能使用::sort()排序？
List的迭代器不能跳来跳去，不能随机访问，只能一个一个往前跳，不能直接+5，-5；标准库sort()所用到的随机访问迭代器，而list迭代器不足以达到要求；
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所有Algorithms，其内最终设计元素本身的操作，无非就是比大小

技术基础：操作符重载and模板（泛化，全特化，偏特化）

操作符重载示例
在这里插入图片描述
类模版
调用者在使用时再指定泛型的具体类型。

template<typename T>	// 类模板
class complex{
private:
    T re, im;	// 模板
    friend complex& __doap1 (complex *ths, const complex& r); 	// 友元函数
public:
    complex(T r = 0, T i = 0) : re(r), im(i){}	// 默认参数、初始化列表
    complex& operate+=(const complex&);	// 重载运算符
    T real() const { return re; }		// 成员函数-常函数
    T imag() const { return im; }
};

类模板使用时，需显式指定具体的泛型类型。编译器不会对类模板进行类型推导

{
    complex<double> c1(1.1, 2.2);
    complex<int> c2(3, 4);
}

函数模版
class可替换为typename。
函数模板使用时，不必显式指定具体的泛型类型。编译器会对函数模板进行实参推导/类型推导（argument deduction）。类模板使用时，需显式指定具体的泛型类型。

// 函数模板
template<class T>
inline const T& min(const T& a, const T& b){
    return b < a ? b : a；
}
class stone{
public:
    stone(int w, int h, int we) : _w(w), _h(h), _weight(we){}
    bool operator< (const stone& rhs){
        return this->_weight < rhs._weight;
    }
private:
    int _w, _h, _weight;
}
int main(){
    stone r1(2, 3), r2(3, 3), r3;
    r3 = min(r1, r2);	
}

成员模版
类模板中的成员（函数/属性）也为模板
STL中的拷贝构造函数和有参构造函数常设计为成员模板
成员模板的泛型类型是类模板的泛型类型的子类。成员模板的泛型类型U1/U2，继承自类模板的泛型类型T1/T2。反之不成立。

class Base1 {};
class Derived1 : public Base1 {};
class Base2 {};
class Derived2 : public Base2 {};

pair</* U1 */Devired1, /* U2 */Devired2> p;
pair<Base1, Base2> p2(p);
/* 等价写法 */
// 使用成员模板创建匿名对象，用于类的拷贝构造函数
pair</*T1*/Base1, /*T2*/Base2> p2(pair</*U1*/Devired1, /*U2*/Devired2>());

如智能指针子类shared_ptr有参构造函数的参数（被包装的指针），是智能指针父类__shared_ptr有参函数构造函数的参数（被包装的指针）的子类。

template<typename _Tp>
class shared_ptr : public __shared_ptr<_Tp>
{
    ...
    /* 成员模板 */
    template<typename _Tp1>
    // 构造函数
    // 子类构造函数shared_ptr的参数__p，对父类构造函数__shared_ptr<_Tp>赋值
    explicit shared_ptr(/*Devired*/_Tp1* __p) : __shared_ptr</*Base*/_Tp>(__p) {}
    ...
};

/* 指针类的多态 */
Base1 *ptr = new Devired1;	// 向上转型up-cast
/* 智能指针类的多态 */
// 使用子类对象
shared_ptr<Base1*> sptr(new Devired1);	// 模拟向上转型up-cast

特化 specialization
泛化（generalization）：使用时再指定模板参数的具体类型。
特化（specialization）：将模板泛化的部分进行局部的特征化。显式指定部分或全部模板参数的具体类型
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特化的优先级高于泛化。当存在合适的特化版本时，编译器优先调用相应的特化版本。
全特化的所有模板参数均被指定，故模板参数列表为空，即template <>。

全特化（full specialization）：显式指定全部模板参数的具体类型。
偏特化/局部特化（partial specialization）：指定部分模板参数的具体类型。

偏特化示例：两个模板参数，锁定其中一个
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锁定范围的偏特化，如T是一个指针

分配器

所有分配动作最终都会到malloc()函数
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内存分配，蓝色是块是实际我们需要malloc给我们分配的空间，灰色的块是debug mode需要添加的内存空间，上下两个红色的块是cookie，它记录分配内存的大小（《深度探索c++对象模型》书上称为记录元素的大小，这个指的是delete时，该delete多大的内存空间，即delete掉的数组维度大小），绿色的部分指的是为了内存大小的对齐
vc6默认分配器allocators
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VC6+的allocator只是以::operator new和：：operator delete完成allocate()和deallocate（），没有任何特殊的设计
BC5编译器对于allocator分配内存和回收内存用的还是operator new和operator delete，底部还是用c语言的malloc和free完成，和VC6的实现一样

容器分配大量小的元素时，由于元素内存分配都用malloc，元素内存都很小，但额外开销很大。通常容器的元素都是较小的，因此额外开销比例较大，是不好接受的。

都是对malloc和free的各种包装，比起直接调用反而变慢了
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GNU C++（G++） 2.9版本所附的标准库，allocator分配内存和回收内存用的还是operator new和operator delete，底部还是用c语言的malloc和free实现。但是自己的容器不用这个allcators，右下角说明这个分配器并没有被SGI STL header引入，即没有被使用
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GC使用的是alloc分配器，核心诉求是尽量减少malloc的次数
共有16条链表，每一条链表负责特定大小的区块，编号为#0的链表负责大小为8B的内存块，编号为#1的链表负责大小为8 x 2 = 16B的内存块，编号为#3的链表负责大小为8 x 3 = 24B的内存块，…，以此类推，每次增加8B。每一条链表都是一次用malloc分配的一大块内存（带cookie），然后切分成小的标准块（不带cookie），当容器需要内存的时候，alloc就会按照需要的大小（变成8B的倍数）在链表中查找进行分配，这样实现在分配小块的时候就不需要存储cookie的开销了

G++4.9又不再使用alloc分配器，而是继续调用operator new 和operator delete
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G++4.9的__pool_alloc就是G++2.9版本的alloc分配器
用例

vector<string, __gnu_cxx::__pool_alloc<string>> vec;// __gnu_cxx是一个命名空间

容器之间的实现关系与分类

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