Эффективное использование STL

Мейерс Скотт

При столь широком ассортименте контейнеров возрастает и количество факторов, которыми следует руководствоваться при их выборе. К сожалению, многие описания STL ограничиваются поверхностным взглядом на мир контейнеров и полностью игнорируют многие факторы, относящиеся к выбору оптимального контейнера. Этот недостаток присущ даже Стандарту, который предлагает выбирать между

vector, deque

и

list

на основании следующих критериев: «…

vector, list

и

deque

обладают различными характеристиками в зависимости от класса выполняемых операций, в соответствии с которыми должен осуществляться выбор. Вектор (

vector

) представляет собой тип последовательного контейнера, который используется в большинстве случаев. Список (

list

) используется

при частых операциях вставки и удаления в произвольной позиции. Дек (

deque

) выбирается в случае, если большинство вставок и удалений производится в начале или в конце последовательности элементов».

Если ограничиться алгоритмической сложностью, эта рекомендация звучит вполне разумно, но на практике приходится учитывать множество других факторов.

Вскоре мы рассмотрим некоторые факторы, учитываемые в дополнение к алгоритмической сложности, но сначала я должен представить критерий классификации контейнеров STL, которому, к сожалению, обычно не уделяется должного внимания. Речь идет о различиях между контейнерами с блоковым и узловым выделением памяти.

В блоковых контейнерах (также называемых контейнерами со смежной памятью) элементы хранятся в одном или нескольких динамически выделяемых блоках памяти, по несколько элементов в каждом блоке. При вставке нового или удалении существующего элемента другие элементы того же блока сдвигаются вверх или вниз, освобождая место для нового элемента или заполняя место, ранее занимаемое удаленным элементом. Подобные перемещения влияют как на скорость работы (советы 5 и 14), так и на безопасность (об этом — ниже). К числу стандартных блоковых контейнеров относятся

vector

,

string

и

deque

. Нестандартный контейнер

rope

также является блоковым.

В узловых контейнерах каждый динамически выделенный фрагмент содержит ровно один элемент. Операции удаления и вставки выполняются только с указателями на узлы, не затрагивая содержимого самих узлов, и потому обходятся без перемещений данных в памяти. К этой категории относятся контейнеры связанных списков (такие как

list

и

slist

), а также все стандартные ассоциативные контейнеры, обычно реализуемые в форме сбалансированных деревьев. Как будет показано в совете 25, реализация нестандартных хэшированных контейнеров тоже построена на узловом принципе.

Разобравшись с терминологией, можно переходить к анализу факторов, учитываемых при выборе контейнера. В дальнейшем описании не учитываются контейнеры, не входящие в STL (массивы, битовые множества и т. д.), поскольку книга все-таки посвящена STL.

• Нужна ли возможность вставки нового элемента в произвольной позиции контейнера? Если нужна, выбирайте последовательный контейнер; ассоциативные контейнеры не подходят.

• Важен ли порядок хранения элементов в контейнере? Если порядок следования элементов не важен, хэшированные контейнеры попадают в число возможных кандидатов. В противном случае придется обойтись без них.

• Должен ли контейнер входить в число стандартных контейнеров C++? Если выбор ограничивается стандартными контейнерами, то хэшированные контейнеры,

slist

и

rope

, исключаются.

• К какой категории должны относиться итераторы? С технической точки зрения итераторы произвольного доступа ограничивают ваш выбор контейнерами

vector, deque

и

string

, хотя, в принципе, можно рассмотреть и возможность применения

rope

(этот контейнер рассматривается в совете 50). Если нужны двусторонние итераторы, исключается класс slist (совет 50) и одна распространенная реализация хэшированных контейнеров (совет 25).

• Нужно ли предотвратить перемещение существующих элементов при вставке или удалении? Если нужно, воздержитесь от использования блоковых контейнеров (совет 5).

• Должна ли структура памяти контейнера соответствовать правилам языка C? Если должна, остается лишь использовать

vector

(совет 16).

• Насколько критична

скорость поиска? Если скорость поиска критична, рассмотрите хэшированные контейнеры (совет 25), сортированные векторы (совет 23) и стандартные ассоциативные контейнеры — вероятно, именно в таком порядке.

• Может ли в контейнере использоваться подсчет ссылок? Если подсчет ссылок вас не устраивает, держитесь подальше от

string

, поскольку многие реализации

string

построены на этом механизме (совет 13). Также следует избегать контейнера

rope

(совет 50). Конечно, средства для представления строк вам все же понадобятся — попробуйте использовать

vector<char>

.

• Потребуется ли транзакционная семантика для операций вставки и удаления? Иначе говоря, хотите ли вы обеспечить надежную отмену вставок и удалений? Если хотите, вам понадобится узловой контейнер. При использовании транзакционной семантики для многоэлементных (например, интервальных — см. совет 5) вставок следует выбрать

list

— единственный стандартный контейнер, обладающий этим свойством. Транзакционная семантика особенно важна при написании кода, безопасного по отношению к исключениям. Вообще говоря, транзакционная семантика реализуется и для блоковых контейнеров, но за это приходится расплачиваться быстродействием и усложнением кода. За дополнительной информацией обращайтесь к книге Саттера «Exceptional C++» [8].

• Нужно ли свести к минимуму количество недействительных итераторов, указателей и ссылок? Если нужно — выбирайте узловые контейнеры, поскольку в них операции вставки и удаления никогда не приводят к появлению недействительных итераторов, указателей и ссылок (если они не относятся к удаляемым элементам). В общем случае операции вставки и удаления в блоковых контейнерах могут привести к тому, что все итераторы, указатели и ссылки станут недействительными.

• Не подойдет ли вам последовательный контейнер с итераторами произвольного доступа, в котором указатели и ссылки на данные всегда остаются действительными, если из контейнера ничего не удаляется, а вставка производится только в конце? Ситуация весьма специфическая, но если вы с ней столкнетесь — выбирайте

deque

. Следует заметить, что итераторы

deque

могут стать недействительными, даже если вставка производится только в конце контейнера. Это единственный стандартный контейнер STL, у которого итераторы могут стать недействительными при действительных указателях и ссылках.

Вряд ли эти вопросы полностью исчерпывают тему. Например, в них не учитывается тот факт, что разные типы контейнеров используют разные стратегии выделения памяти (некоторые аспекты этих стратегий описаны в советах 10 и 14). Но и этот список наглядно показывает, что алгоритмическая сложность выполняемых операций — далеко не единственный критерий выбора. Бесспорно, она играет важную роль, но приходится учитывать и другие факторы.

При выборе контейнеров STL предоставляет довольно большое количество вариантов, а за пределами STL их оказывается еще больше. Прежде чем принимать окончательное решение, обязательно изучите все возможные варианты. «…Контейнер, используемый в большинстве случаев»? Я так не думаю.

Совет 2. Остерегайтесь иллюзий контейнерно-независимого кода

Основным принципом STL является обобщение. Массивы обобщаются в контейнеры, параметризованные по типам хранящихся объектов. Функции обобщаются в алгоритмы, параметризованные по типам используемых итераторов. Указатели обобщаются в итераторы, параметризованные по типам объектов, на которые они указывают.

Но это лишь начало. Конкретные разновидности контейнеров обобщаются в категории (последовательные и ассоциативные), а похожие контейнеры наделяются сходными функциями. Стандартные блоковые контейнеры (совет 1) обладают итераторами произвольного доступа, тогда как стандартные узловые контейнеры (также описанные в совете 1) поддерживают двусторонние итераторы. Последовательные контейнеры поддерживают операции

push_front

и/или

push_back

, у ассоциативных контейнеров такие операции отсутствуют. В ассоциативных контейнерах реализованы функции

lower_bound

,

upper_bound

и

equal_range

, обладающие логарифмической сложностью, а в последовательных контейнерах их нет.