C++笔记八（Boolan网——STL与泛型编程）

本周内容：
（1）deque&queue 和 stack 深度探索
（2）R-B tree 深度探索
（3）set/multiset深度探索
（4）map/multimap深度探索
（5）hashtable深度探索
（6）unordered容器概念

一 deque&queue 和 stack 深度探索

deque：deque的内存空间分布是小片的连续，小片间用链表相连，实际上内部有一个map的指针。其中buffer表示deque的缓冲区，每个buffer可以存放多个元素结点。并且每个buffer指针存放在vector容器中。每个iterator存放四个指针:cur、first、last、node，cur表示当前数据结点的指针，first表示buffer首指针，last表示buffer的尾指针，node表示这个iterator在vector中的指针地址。它模拟了一个连续的存储空间(实质表示连续分段的容器)。

deque.png

deque实现代码如下，gnu2.9模板参数有三个，其中第三个BufSiz默认为0，可以由使用者自定buffer大小。

deque代码.png
同样的，deque的iterator需要回答算法的五个问题，即上周的iterator traits。
deque iterator.png

• deque<T>::insert()源码解析

//在position处安插一个元素，其值为x
iterator insert(iterator position,const value_type& x){
    if(position.cur == start.cur){               //如果安插点是deque最前端
      push_front(x);                                //交给push——front()做
      return start;
    }
    else if (position.cur == finish.cur) {    //如果安插点是deque最尾端
      push_back(x);                              //交给push——back()做
      iterator tmp =finish;
      --tmp;
      return tmp;
    }
    else {
      return insert_aux(position,x);
    }
  }

template<class T,class Alloc,size_t BufSize>
typename deque<T,Alloc,BufSize>::iterator
deque<T,Alloc,BufSize>::insert_aux(iterator pos,const value_type& x){
    difference_type index = pos - start;     //安插点之前的元素个数
    value_type x_copy =x;
    if (index<size()/2){                //如果安插点之前的元素个数较少
      push_front(front());             //在最前端加入与第一元素同值的元素
      ...
      copy(front2,pos1,front1);    //元素搬移
    }
    else{                        //安插点之后的元素个数较少
      push_back(back());   //在尾端加入与最末元素同值的元素
      ...
      copy_backward(pos,back2,back1);      //元素搬移
    }
    *pos = x_copy;        //在安插点上设定新值
    return pos;
}

deque是如何模拟连续空间的呢？全都是deque iterators的功劳，源代码做了大量的操作符重载，尤其是遇到buffer边界时如何跳到控制中心，使得deque的iterator能够在buffer之间模拟出连续空间。实现代码如下：

reference operator[] (size_type n)
{
    return start[difference_type(n)];
}
reference front(){return *start;}
reference back()
{
    iterator tmp = finish;
    --tmp;
    return *tmp;
}
size_type size() const {return finish - start;}
bool empty() const {return == start;}
reference operator*() const {return *cur;}
pointer operator->() const {return & (operator*());}
//两根iterators之间的距离相当于
//(1)两根iterators间的buffers的总长度+
//(2)itr至其buffer末尾的长度+
//(3)x至其buffer起头的长度
difference_type
operator-(const self& x) const
{
     return difference_type(buffer_size())*(node-x.node-1)+
        (cur-first)+(x.last-x.cur);
          //首尾buffers之间的buffers数量
          //（cur-first）末尾（当前）buffer的元素量，（x.last-x.cur）起始buffer的元素量
}

deque模拟连续空间.png
deque模拟连续空间2.png
deque模拟连续空间3.png

queue和stack底层都是由deque完成的，通常他们也被称为容器适配器。

• queue

  
  queue.png

• stack

  
  stack.png
• stack和queue都不允许遍历，也不提供iterator。
• stack和queue都可选择list和deque作为底层容器
• queue不可选择vector作为底层结构，stack可选择vector作为底层结构
• stack和queue都不可选择set或map做底层结构

二 R-B tree 深度探索

• Red-Black tree(红黑树）是平衡二元搜寻树（balanced binary search tree）中常被使用的一种。平衡二元搜寻树的特征：排列规则有利于search和insert，并保持适度平衡，即无任何节点过深。
  • re_tree提供“遍历”操作及iterators。按正常规则（++ite）遍历，便能获得排序状态（sorted）。
  • 我们不应使用rb_tree的iterators改变元素值（因为元素有其严谨排列规则）。编程并未阻止此事。如此设计是正确的，因为rb_tree即将为set和map服务（作为其底部支持），而map允许元素的data被改变，只有元素的key才是不可被改变的。
  • rb_tree提供两种insertion操作：insert_unique()和insert_equal( )。前者表示节点的key一定在整个tree中独一无二，否则安插失败；后者表示节点的key可重复。

rb_tree.png
rb_tree使用.png

红黑树的使用如下：

rb_tree使用.png

三 set/multiset深度探索

• set/multiset以rb_tree为底层结构，因此有元素自动排序特性。排序的依据是key，而set/multiset元素的value和key合一：value就是key。
• set/multiset提供“遍历”操作及iterators。按正常规则（++ite）遍历，便能获得排序状态（sorted）。
• 我们无法使用set/multiset的iterators改变元素值（因为key有其严谨排列规则）。set/multiset的iterator是其底部的RB tree的const-iterator，就是为了禁止user对元素赋值。

• set元素的key必须独一无二，因此其insert()用的是rb_tree的insert_unique()。multiset元素的key可以重复，因此其insert()用的rb_tree的insert_equal().

  
  set源代码.png

四 map/multimap深度探索

• map/multimap以rb_tree为底层结构，因此有元素自动排序特性。排序的依据是key。
• map/multimap提供“遍历”操作及iterators。按正常规则（++ite）遍历，便能获得排序状态（sorted）。我们无法使用map/multimap的iterators改变元素的key（因为key有其严谨排列顺序），但可以用它来改变元素的data。因此map/multimap内部自动将user指定的key type设为const，如此便能禁止user对元素的key赋值。

• map元素的key必须独一无二，因此其insert()用的是rb_tree的insert_unique()。multimap元素的key可以重复，因此其insert()用的是rb_tree的insert_equal()。

  
  map源代码.png

五 hashtable深度探索

有一大堆的东西要放在容器里，每一个东西可以折射成一个数值，这些数值的变化如果有2^32种变化，所需要的空间要非常大，hashtable就是用来解决这个问题。

hashtable.png

当碰撞的元素超过“篮子”的个数，经验判断为危险，则将“篮子”的数量扩大为原来的两倍，一般篮子数量是素数。GUC初始篮子数量为53，两倍变成106，附近的素数而且比106大的为193.
我们可以使用hashtable iterators改变元素的data，但不能改变元素的key（因为hashtable根据key实现严谨的元素排列）。

hashtable.png
hashtable源代码如下：
hashtable.png

第一第二个参数与红黑树为底层的set和map类似，第三个模板参数hashFcn的目的是希望根据元素值算出一个hash code（一个可进行modulus运算的值），使得元素hash code映射之后能够够杂乱够随机地被置于hashtable内，越是乱，越是不容易碰撞，可以传函数、仿函数、函数对象，它是通过模板偏特化实现，c风格的字符串char*是一个指针，stl提供了实现方式，而C++的字符串string则需要自己写实现方式；第四个ExtractKey告诉我们如何取出key；第五个EqualKey告诉我们如何比较key大小；第六个分配器。

六 unordered容器概念

从C++11开始，以hash开头的容器都改为unordered容器（不定序容器）

• Before C++11
  • hash_set
  • hash_multiset
  • hash_map
  • hash_multimap
• Since C++11
  • unordered_set
  • unordered_multiset
  • unordered_map
  • unordered_multimap