C++ 标准模板库各个容器的应用场景分析

 

C++ 标准模板库（STL）中的容器分为序列式容器、关联式容器和无序容器，各自适用于不同场景。以下是主要容器的应用场景及案例：

一、序列式容器

元素按插入顺序存储，支持线性访问。

1. vector

• 场景：动态数组，随机访问频繁，尾部插入 / 删除多。
• 特点：连续内存，自动扩容（倍增策略）。
• 案例：存储用户信息列表。

#include <vector>
#include <string>
using namespace std;vector<string> userNames;
userNames.push_back("Alice");
userNames.emplace_back("Bob"); // 直接构造对象
cout << userNames[0]; // 随机访问

2. deque

• 场景：双端队列，头尾插入 / 删除频繁。
• 特点：分段连续内存，支持push_front()。
• 案例：任务调度队列。

#include <deque>
deque<int> tasks;
tasks.push_front(100); // 头部插入
tasks.pop_back();      // 尾部删除

                                

3. list

• 场景：频繁插入 / 删除（任意位置），不关心随机访问。
• 特点：双向链表，插入 / 删除 O (1)。
• 案例：实现链表操作。

#include <list>
list<int> numbers = {1, 2, 3};
auto it = ++numbers.begin(); // 迭代器移动
numbers.insert(it, 10);      // 在位置插入

4. forward_list

• 场景：单向链表，仅需前向遍历，节省空间。
• 特点：单链表，无size()，插入 / 删除效率更高。
• 案例：实现轻量级链表。

#include <forward_list>
forward_list<int> flist = {1, 2};
flist.push_front(0); // 仅支持头部操作

二、关联式容器

元素按键排序，支持快速查找（基于红黑树）。

1. set

• 场景：存储唯一元素，自动排序，快速去重。
• 特点：键即值，不允许重复。
• 案例：存储单词集合。

#include <set>
set<string> words = {"apple", "banana"};
words.insert("apple"); // 重复元素被忽略
cout << words.count("apple"); // 输出1

2. map

• 场景：键值对映射，按键排序，查找高效。
• 特点：键唯一，基于红黑树。
• 案例：统计单词频率。

#include <map>
map<string, int> wordCount;
wordCount["hello"]++; // 自动插入并计数
cout << wordCount["hello"]; // 输出1

3. multiset

• 场景：允许重复元素的集合，按键排序。
• 案例：存储考试分数（可重复）。

#include <multiset>
multiset<int> scores = {90, 85, 90};
cout << scores.count(90); // 输出2

4. multimap

• 场景：一键多值的映射，如用户对应多个角色。
• 案例：员工部门关系。

#include <multimap>
multimap<string, string> empDept;
empDept.insert({"Alice", "HR"});
empDept.insert({"Alice", "IT"}); // 同一键可对应多个值

三、无序容器

基于哈希表，元素无序，查找效率更高（平均 O (1)）。

1. unordered_set

• 场景：快速查找、去重，不关心顺序。
• 案例：检查元素是否存在。

#include <unordered_set>
unordered_set<int> ids = {101, 202};
if (ids.find(101) != ids.end()) { /* 存在 */ }

2. unordered_map

• 场景：键值对快速查找，如缓存、字典。
• 案例：实现 URL 映射。

#include <unordered_map>
unordered_map<string, string> urlMap;
urlMap["/home"] = "index.html";
cout << urlMap["/home"]; // 快速查找

3. unordered_multiset 和 unordered_multimap

• 场景：类似multiset和multimap，但无序。
• 案例：存储社交网络中的多对多关系。

四、容器适配器

基于现有容器实现特定功能。

1. stack

• 场景：后进先出（LIFO），如表达式求值、递归模拟。
• 案例：括号匹配检查。

#include <stack>
stack<char> brackets;
for (char c : "({})") {if (c == '(') brackets.push(c);// ... 其他匹配逻辑
}

2. queue

• 场景：先进先出（FIFO），如消息队列。
• 案例：广度优先搜索（BFS）。

#include <queue>
queue<int> q;
q.push(1);
int front = q.front(); // 访问队首
q.pop(); // 出队

3. priority_queue

• 场景：元素按优先级出队（默认大顶堆）。
• 案例：任务调度（优先级高的先执行）。

#include <queue>
priority_queue<int> pq; // 大顶堆
pq.push(3);
pq.push(1);
cout << pq.top(); // 输出3

选择容器的建议

1. 随机访问：vector、deque。
2. 中间插入 / 删除：list。
3. 键值对存储：map（有序）或unordered_map（快速查找）。
4. 去重 + 排序：set。
5. 高效插入 / 删除：链表类容器（list、forward_list）。
6. 固定大小：array（C++11，静态数组，性能略优）。

根据访问模式和操作频率选择合适的容器，可显著提升程序性能。