第四章 对标准库的扩充: 新增容器

一、本节内容

本节内容包括：

• 对标准库的扩充: 新增容器

  • std::array

  • std::forward_list

  • std::unordered_set

  • std::unordered_map

  • std::tuple

    • 基本操作

    • 运行期索引

    • 合并与迭代

二、std::array 和 std::forward_list

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，std::vector 太强大了，以至于我们没有必要为了去敲碎一个鸡蛋而用一个钉锤。使用 std::array 保存在栈内存中，相比堆内存中的 std::vector，我们就能够灵活的访问这里面的元素，从而获得更高的性能；同时正式由于其堆内存存储的特性，有些时候我们还需要自己负责释放这些资源。

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，且封装了一些操作函数，同时还能够友好的使用标准库中的容器算法等等，比如 std::sort。

std::array 会在编译时创建一个固定大小的数组，std::array 不能够被隐式的转换成指针，使用 std::array 很简单，只需指定其类型和大小即可：

std::array<int, 4> arr= {1,2,3,4};

int len = 4;
std::array<int, len> arr = {1,2,3,4}; // 非法, 数组大小参数必须是常量表达式

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：

void foo(int *p, int len) {
    return;
}

std::array<int, 4> arr = {1,2,3,4};

// C 风格接口传参
// foo(arr, arr.size());           // 非法, 无法隐式转换
foo(&arr[0], arr.size());
foo(arr.data(), arr.size());

// 使用 `std::sort`
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。

三、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::multimap：

#include <iostream>
#include <string>
#include <unordered_map>
#include <map>

int main() {
    // 两组结构按同样的顺序初始化
    std::unordered_map<int, std::string> u = {
        {1, "1"},
        {3, "3"},
        {2, "2"}
    };
    std::map<int, std::string> v = {
        {1, "1"},
        {3, "3"},
        {2, "2"}
    };

    // 分别对两组结构进行遍历
    std::cout << "std::unordered_map" << std::endl;
    for( const auto & n : u) 
        std::cout << "Key:[" << n.first << "] Value:[" << n.second << "]\n";

    std::cout << std::endl;
    std::cout << "std::map" << std::endl;
    for( const auto & n : v) 
        std::cout << "Key:[" << n.first << "] Value:[" << n.second << "]\n";
}

最终的输出结果为：

std::unordered_map
Key:[2] Value:[2]
Key:[3] Value:[3]
Key:[1] Value:[1]

std::map
Key:[1] Value:[1]
Key:[2] Value:[2]
Key:[3] Value:[3]

四、元组 std::tuple

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

#include <tuple>
#include <iostream>

auto get_student(int id)
{
    // 返回类型被推断为 std::tuple<double, char, std::string>

    if (id == 0)
        return std::make_tuple(3.8, 'A', "张三");
    if (id == 1)
        return std::make_tuple(2.9, 'C', "李四");
    if (id == 2)
        return std::make_tuple(1.7, 'D', "王五");
    return std::make_tuple(0.0, 'D', "null");   
    // 如果只写 0 会出现推断错误, 编译失败
}

int main()
{
    auto student = get_student(0);
    std::cout << "ID: 0, "
    << "GPA: " << std::get<0>(student) << ", "
    << "成绩: " << std::get<1>(student) << ", "
    << "姓名: " << std::get<2>(student) << '\n';

    double gpa;
    char grade;
    std::string name;

    // 元组进行拆包
    std::tie(gpa, grade, name) = get_student(1);
    std::cout << "ID: 1, "
    << "GPA: " << gpa << ", "
    << "成绩: " << grade << ", "
    << "姓名: " << name << '\n';
}

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：

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

int index = 1;
std::get<index>(t);

那么要怎么处理？答案是，标准库做不到。这里介绍一个使用 boost::variant 配合变长模板参数的黑魔法：

#include <boost/variant.hpp>
template <size_t n, typename... T>
boost::variant<T...> _tuple_index(size_t i, const std::tuple<T...>& tpl) {
    if (i == n)
        return std::get<n>(tpl);
    else if (n == sizeof...(T) - 1)
        throw std::out_of_range("越界.");
    else
        return _tuple_index<(n < sizeof...(T)-1 ? n+1 : 0)>(i, tpl);
}
template <typename... T>
boost::variant<T...> tuple_index(size_t i, const std::tuple<T...>& tpl) {
    return _tuple_index<0>(i, tpl);
}

这样我们就能：

int i = 1;
std::cout << tuple_index(i, t) << 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：

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：

template <typename T>
auto tuple_len(T &tpl) {
    return std::tuple_size<T>::value;
}

这样就能够对元组进行迭代了：

// 迭代
for(int i = 0; i != tuple_len(new_tuple); ++i)
    // 运行期索引
    std::cout << tuple_index(i, new_tuple) << std::endl;

总结

本节简单介绍了 C++11/14 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。