Sari la conținut

Sequence Containers: vector, deque, list, array

Explore the sequence containers in the STL — vector, deque, list, forward_list, and array. Learn their performance trade-offs, memory layouts, and iterator invalidation rules.

What Are Sequence Containers?

Sequence containers store elements in a strict linear order. The STL provides five sequence containers, each optimized for different access and mutation patterns:

- std::vector — dynamic array, contiguous memory
- std::deque — double-ended queue, fast insertion at both ends
- std::list — doubly-linked list
- std::forward_list — singly-linked list
- std::array — fixed-size array, stack-allocated

Choosing the right container is one of the most impactful performance decisions you will make in C++. The key factors are access pattern, insertion/deletion pattern, and cache locality.

std::vector — The Default Choice

std::vectoreste cel mai des folosit container. Stochează elemente într-un singur bloc de memorie contiguu, oferindu-i performanțe excelente în cache și acces aleatoriu O(1). Adăugarea elementelor cupush_backeste amortizată O(1) deoarece vectorul își dublează capacitatea când este plin.

vector_basics.cpp
#include <iostream>
#include <vector>

int main() {
    std::vector<int> nums;          // empty vector
    nums.reserve(100);              // pre-allocate for 100 elements (no reallocation)

    for (int i = 0; i < 10; ++i) {
        nums.push_back(i * i);      // amortized O(1)
    }

    // Size vs capacity
    std::cout << "Size:     " << nums.size()     << '\n';  // 10
    std::cout << "Capacity: " << nums.capacity() << '\n';  // >= 100

    // Random access — O(1)
    std::cout << "Element 3: " << nums[3] << '\n';         // 9
    std::cout << "Element 3: " << nums.at(3) << '\n';      // 9 (bounds-checked)

    // Erase-remove idiom (pre-C++20)
    nums.erase(std::remove_if(nums.begin(), nums.end(),
                              [](int x) { return x > 50; }),
               nums.end());

    // C++20: std::erase_if (cleaner)
    std::erase_if(nums, [](int x) { return x > 30; });

    // Range-based for loop
    for (int n : nums) {
        std::cout << n << ' ';
    }
    std::cout << '\n';
}

deque, list și forward_list

std::dequeoferă inserarea și ștergerea O(1) atât în ​​față, cât și în spate, dar utilizează un aspect de memorie segmentat (matrice de blocuri de dimensiuni fixe) mai degrabă decât o singură alocare contigue.std::listeste o listă dublu legată care oferă inserarea/ștergerea O(1) oriunde având în vedere un iterator, cu prețul unei localități slabe de cache.std::forward_listeste o listă cu legături unice care utilizează mai puțină memorie pe nod, dar acceptă doar traversarea înainte.

deque_list.cpp
#include <deque>
#include <list>
#include <forward_list>
#include <iostream>

int main() {
    // deque — O(1) push_front and push_back
    std::deque<int> dq;
    dq.push_front(1);   // O(1) — vector cannot do this efficiently
    dq.push_back(2);    // O(1)
    dq.push_front(0);   // O(1)
    // dq: {0, 1, 2}

    // list — O(1) insert/erase at any position with iterator
    std::list<std::string> names = {"Alice", "Charlie", "Eve"};
    auto it = std::next(names.begin());  // points to "Charlie"
    names.insert(it, "Bob");             // O(1) insert before "Charlie"
    names.erase(it);                     // O(1) erase "Charlie"
    // names: {"Alice", "Bob", "Eve"}

    // list has splice — O(1) move of entire sublists
    std::list<std::string> more = {"Frank", "Grace"};
    names.splice(names.end(), more);     // moves all of 'more' into 'names'
    // names: {"Alice", "Bob", "Eve", "Frank", "Grace"}
    // more is now empty

    // forward_list — singly linked, no size(), push_front only
    std::forward_list<int> fl = {3, 1, 4, 1, 5};
    fl.push_front(0);
    fl.sort();           // member sort — O(n log n), stable
    fl.unique();         // remove consecutive duplicates
    // fl: {0, 1, 3, 4, 5}

    for (int v : fl) std::cout << v << ' ';
    std::cout << '\n';
}

std::array — Dimensiune fixă, Zero Overhead

std::arrayîmpachetează o matrice în stil C într-o clasă adecvată, oferind.size(),.at(), iteratoare și compatibilitate cu toți algoritmii STL - cu zero overhead în comparație cu unT[N]brut.

std_array.cpp
#include <array>
#include <algorithm>
#include <iostream>

int main() {
    std::array<int, 5> arr = {5, 2, 8, 1, 9};

    std::sort(arr.begin(), arr.end());       // works with STL algorithms

    std::cout << "Size: " << arr.size() << '\n';   // constexpr — known at compile time
    std::cout << "Front: " << arr.front() << '\n';  // 1
    std::cout << "Back:  " << arr.back()  << '\n';  // 9

    // Bounds-checked access
    try {
        arr.at(10);  // throws std::out_of_range
    } catch (const std::out_of_range& e) {
        std::cout << "Out of range: " << e.what() << '\n';
    }

    // Compile-time size via std::tuple_size
    constexpr std::size_t n = std::tuple_size_v<decltype(arr)>;  // 5
    static_assert(n == 5);
}

Alegerea containerului de secvență potrivită

Utilizați acest ghid de decizie:

Utilizațistd::vector (prestabilit) atunci când aveți nevoie de acces aleatoriu, de iterare cache-friendly sau de push/pop în spate. Marea majoritate a codului ar trebui să foloseascăvector.

Folosițistd::deque atunci când aveți nevoie de inserare/demontare frecventă atât în ​​față, cât și în spate (de exemplu, o fereastră glisantă, coadă BFS).

Folosițistd::list când aveți nevoie de inserarea/eliminarea O(1) în mijloc, având în vedere un iterator, sau când aveți nevoie desplice()pentru a muta sublistele între liste fără a le copia.

Folosițistd::forward_list când memoria per nod contează și aveți nevoie doar de traversare înainte.

Folosițistd::array când dimensiunea este cunoscută în momentul compilării și nu se va schimba niciodată.

Notă de performanță: Datorită efectelor cache-ului CPU,std::vectordepășește adeseastd::listchiar și pentru inserții medii pe hardware modern, până la dimensiuni surprinzător de mari (mii de elemente). Măsurați întotdeauna înainte de a alege o listă legată.

Capcană

Fiecare container are reguli diferite pentru momentul în care iteratorii, indicatorii și referințele devin invalide:

vector — Inserarea care declanșează realocare invalidează toți iteratorii. Inserarea fără realocare invalidează iteratorii la sau după punctul de inserare. Ștergerea invalidează iteratorii la sau după punctul de ștergere.

deque — Inserarea în față sau în spate invalidează toți iteratorii, dar nu și referințele/pointerii la elemente existente. Inserarea la mijloc invalidează totul. Ștergerea din față/spate invalidează doar iteratorul elementului șters.

list/forward_list — Inserarea și ștergerea niciodată nu invalidează iteratorii, referințele sau indicatorii către alte elemente. Numai iteratorul elementului șters este invalidat.

array — Iteratorii nu sunt niciodată invalidați (matricea nu poate schimba dimensiunea).

O eroare comună este modificarea unuivectorîn interiorul unei bucle for bazate pe interval. Dacă unpush_backdeclanșează realocare, iteratoarele ascunse ale buclei devin atârnate.

Bună practică

Dacă știți (sau puteți estima) câte elemente va conține unvector, apelațireserve()înainte de a-l completa. Acest lucru prealocează memoria și evită realocările costisitoare:

-reserve(n)modifică capacitate, dar nu dimensiune — nu sunt adăugate elemente.
-resize(n)modifică dimensiunea - de fapt, construiește elemente implicite.
-shrink_to_fit()este o solicitare neobligatorie pentru a reduce capacitatea pentru a se potrivi cu dimensiunea.

Pentru buclele fierbinți care construiesc vectori, un singur apelreserve()poate reduce dramatic supraîncărcarea de alocare. Măsurați cu seturi mari de date pentru a vedea diferența.

Idei cheie
  • std::vectoreste alegerea implicită - memoria contiguă înseamnă iterație cache-friendly și acces aleatoriu O(1)
  • Utilizațireserve()pentru a pre-aloca memoria vectorială atunci când dimensiunea aproximativă este cunoscută
  • std::dequeoferă O(1) push/pop atât în ​​față, cât și în spate, dar nu este contiguu
  • std::listoferă O(1) inserare/ștergere cu un iterator și nu invalidează niciodată alte iteratoare
  • std::arrayis a zero-overhead wrapper around C arrays with full STL compatibility
  • Regulile de invalidare a iteratorului diferă în funcție de container - cunoașteți-le pentru a evita erorile iteratoarelor suspendate

Test — Verifică-ți cunoștințele

(15 XP)

1. Ce container de secvență oferă`push_back`amortizat O(1) și aspectul memoriei adiacente?

2. Ce se întâmplă cu toți iteratoarele vectoriale când un`push_back`declanșează realocare?

3. Care este diferența dintre`reserve(n)`și`resize(n)`pe un vector?