C++之常用容器

long_run2025-09-03 13:43

C++ 标准模板库（STL）中的容器是 C++ 编程的基石。掌握它们是高效编程的关键。

下面我将详细介绍几个最重要和最常用的容器，并将它们分为三类：序列容器 、关联容器 和容器适配器。

一、序列容器 (Sequence Containers)

这类容器中的元素是线性排列的，就像一个队伍。你可以通过元素在队伍中的位置（索引）来访问它们。

1. std::vector：动态数组（最重要的容器）

  • 一句话总结 ：C++ 的"瑞士军刀"，当你不知道用什么容器时，就用 vector。

  • 核心特性：

    • 底层结构：一块连续的内存，和普通数组一样。
    • 访问 ：极快的随机访问速度。通过索引 vec[i] 访问元素是 O(1) 操作。
    • 尾部操作 ：在末尾添加 (push_back) 或删除 (pop_back) 元素非常快（均摊 O(1)）。
    • 中间操作：在中间或开头插入/删除元素很慢（O(N)），因为它需要移动之后的所有元素。

  • 适用场景：

    • 需要频繁地随机访问元素。
    • 主要在容器末尾进行添加/删除操作。
    • 作为函数参数或返回值传递一组数据。

  • 代码示例：

    cpp 复制代码 
    #include <iostream>
#include <vector>
#include <string>

int main() {
    // 创建一个存储字符串的 vector
    std::vector<std::string> names;

    // 1. 添加元素 (在尾部)
    names.push_back("Alice");
    names.push_back("Bob");
    names.push_back("Charlie");

    // 2. 随机访问元素 (O(1))
    std::cout << "The first name is: " << names[0] << std::endl;
    names[1] = "Robert"; // 修改元素

    // 3. 遍历容器
    std::cout << "\nAll names:" << std::endl;
    for (const std::string& name : names) {
        std::cout << "- " << name << std::endl;
    }

    // 4. 在中间插入 (O(N)，较慢)
    names.insert(names.begin() + 1, "Eve"); // 在索引 1 处插入

    // 5. 删除元素
    names.pop_back(); // 删除最后一个元素 "Charlie"

    std::cout << "\nAfter modifications:" << std::endl;
    for (const auto& name : names) {
        std::cout << "- " << name << std::endl;
    }

    std::cout << "Current size: " << names.size() << std::endl;
}

2. std::list：双向链表

  • 一句话总结：为频繁的插入和删除操作而生。

  • 核心特性：

    • 底层结构：非连续的双向链表，每个元素都指向前一个和后一个元素。
    • 访问 ：不支持快速随机访问。要访问第 i 个元素，必须从头或尾开始遍历 i 步（O(N)）。
    • 任意位置操作：在任何位置插入或删除元素都非常快（O(1)），只要你已经有了指向该位置的迭代器。
    • 迭代器稳定性：插入或删除元素不会使指向其他元素的迭代器失效。

  • 适用场景：

    • 需要对容器进行大量的插入和删除操作，尤其是在中间位置。
    • 不需要随机访问。

  • 代码示例：

    cpp 复制代码 
    #include <iostream>
#include <list>

int main() {
    std::list<int> numbers;
    numbers.push_back(10);
    numbers.push_back(20);
    numbers.push_front(5); // [5, 10, 20]

    auto it = numbers.begin();
    it++; // it 指向 10

    // 在 10 的前面插入 8 (O(1))
    numbers.insert(it, 8); // [5, 8, 10, 20]

    // 删除 10 (O(1))
    numbers.erase(it); // [5, 8, 20]

    std::cout << "List content:" << std::endl;
    for (int n : numbers) {
        std::cout << n << " ";
    }
    std::cout << std::endl;
}

二、关联容器 (Associative Containers)

这类容器自动对其元素进行排序 ，并允许通过键 (Key) 来快速查找。

3. std::map：有序键值对

  • 一句话总结：按键排序的字典。

  • 核心特性：

    • 底层结构 ：通常是红黑树（一种自平衡二叉搜索树）。
    • 元素 ：存储 std::pair<const Key, Value> 形式的键值对。
    • 排序 ：所有元素都根据键 Key 自动排序。
    • 查找：基于键的查找、插入和删除速度都很快（O(log N)）。

  • 适用场景：

    • 需要存储键值对。
    • 需要数据始终按键排序。
    • 需要能够按范围查找（例如，查找所有在 'A' 和 'C' 之间的键）。

  • 代码示例：

    cpp 复制代码 
    #include <iostream>
#include <map>
#include <string>

int main() {
    std::map<std::string, int> ages;

    // 插入元素
    ages["Charlie"] = 30;
    ages["Alice"] = 25;
    ages["Bob"] = 35;

    // 查找和访问
    std::cout << "Alice's age: " << ages["Alice"] << std::endl;

    // 检查键是否存在
    if (ages.count("David")) {
        std::cout << "David's age is " << ages["David"] << std::endl;
    } else {
        std::cout << "David is not in the map." << std::endl;
    }

    // 遍历 (注意输出是按键排序的：Alice, Bob, Charlie)
    std::cout << "\nAll ages (sorted by name):" << std::endl;
    for (const auto& pair : ages) {
        std::cout << pair.first << " is " << pair.second << " years old." << std::endl;
    }
}

4. std::unordered_map：无序键值对（非常常用）

  • 一句话总结：性能更高的字典，但没有排序。

  • 核心特性：

    • 底层结构 ：哈希表 (Hash Table) 。
    • 元素：存储键值对。
    • 排序：元素是无序的，遍历顺序不确定。
    • 查找：基于键的查找、插入和删除速度极快（平均 O(1)）。

  • 适用场景：

    • 需要存储键值对，且追求极致的查找性能。
    • 不需要数据排序。这是绝大多数字典应用场景的首选。

  • 代码示例：

    cpp 复制代码 
    #include <iostream>
#include <unordered_map>
#include <string>

int main() {
    std::unordered_map<std::string, int> ages;

    ages["Charlie"] = 30;
    ages["Alice"] = 25;
    ages["Bob"] = 35;

    std::cout << "Bob's age: " << ages["Bob"] << std::endl;

    // 遍历 (输出顺序不确定)
    std::cout << "\nAll ages (in arbitrary order):" << std::endl;
    for (const auto& pair : ages) {
        std::cout << pair.first << " is " << pair.second << " years old." << std::endl;
    }
}

std::set 和 std::unordered_set
set 容器可以看作是只有键没有值的 map。它们用于存储唯一的、不重复的元素集合。

  • std::set：有序集合，基于红黑树，O(log N) 操作。
  • std::unordered_set：无序集合，基于哈希表，平均 O(1) 操作。
    它们非常适合用于去重或快速检查某个元素是否存在。

三、容器适配器 (Container Adapters)

它们不是真正的容器，而是对现有序列容器（如 vector, deque, list）的封装，提供了特定的接口。

5. std::stack：栈

  • 一句话总结：后进先出 (LIFO - Last-In, First-Out) 的数据结构。

  • 核心特性 ：只能在"顶部"添加 (push) 和移除 (pop) 元素。

  • 适用场景：函数调用栈、括号匹配、撤销/重做功能。

  • 代码示例：

    cpp 复制代码 
    #include <iostream>
#include <stack> // 包含头文件

int main() {
    std::stack<int> s;
    s.push(1); // [1]
    s.push(2); // [1, 2]
    s.push(3); // [1, 2, 3]

    std::cout << "Top element: " << s.top() << std::endl; // 输出 3

    s.pop(); // 移除 3, 栈变为 [1, 2]
    std::cout << "Top element after pop: " << s.top() << std::endl; // 输出 2

    std::cout << "Is stack empty? " << (s.empty() ? "Yes" : "No") << std::endl;
}

6. std::queue：队列

  • 一句话总结：先进先出 (FIFO - First-In, First-Out) 的数据结构。

  • 核心特性 ：在队尾 (push) 添加元素，在队头 (pop) 移除元素。

  • 适用场景：任务队列、广度优先搜索 (BFS)、打印机任务。

  • 代码示例：

    cpp 复制代码 
    #include <iostream>
#include <queue> // 包含头文件

int main() {
    std::queue<std::string> q;
    q.push("Task 1");
    q.push("Task 2");
    q.push("Task 3");

    std::cout << "Front element: " << q.front() << std::endl; // 输出 Task 1
    std::cout << "Back element: " << q.back() << std::endl;  // 输出 Task 3

    q.pop(); // 移除 Task 1
    std::cout << "Front element after pop: " << q.front() << std::endl; // 输出 Task 2
}

总结与如何选择

容器 底层结构 排序性 随机访问 中间插入/删除 主要用途
std::vector 动态数组 按插入顺序 O(1) O(N) 默认首选，通用数据存储
std::list 双向链表 按插入顺序 O(N) O(1) 频繁的任意位置插入/删除
std::map 红黑树 按键排序 N/A O(log N) 有序的键值对存储
std::unordered_map 哈希表 无序 N/A O(1) 高性能的键值对查找
std::set 红黑树 按键排序 N/A O(log N) 有序的唯一元素集合
std::unordered_set 哈希表 无序 N/A O(1) 高性能的唯一元素查找
std::stack vector或deque LIFO N/A N/A 后进先出场景
std::queue deque FIFO N/A N/A 先进先出场景

简单选择流程：

  1. 需要键值对吗？

    • 是 -> 需要排序吗？

      • 是 -> std::map
      • 否 -> std::unordered_map (通常是更好的选择)

  2. 不需要键值对，只需要存储一串元素？

    • 需要快速随机访问吗？(用 [] 访问)

      • 是 -> std::vector (绝大多数情况)

    • 需要频繁在中间插入/删除吗？

      • 是 -> std::list

  3. 需要后进先出 (LIFO) 或先进先出 (FIFO) 的简单接口吗？

    • 是 -> std::stack 或 std::queue
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