标准非STL容器 : bitset

朱雀 2022-08-05 07:27 134阅读 0赞

**1. 概念**  
什么是“标准非STL容器”？标准非STL容器是指“可以认为它们是容器，但是他们并不满足STL容器的所有要求”。前文提到的容器适配器stack、queue及priority\_queue都是标准非STL容器的一部分。此外，valarray也是标准非STL容器。  
bitset：一种 **高效**位集合操作容器。

**2. API**  
bitset提供的api：  
(constructor) Construct bitset (public member function)  
operator\[\] Access bit (public member function)  
set Set bits (public member function)  
reset Reset bits (public member function )  
flip Flip bits (public member function)  
to\_ulong Convert to unsigned long integer (public member function)  
to\_string Convert to string (public member function)  
count Count bits set (public member function)  
size Return size (public member function)  
test Return bit value (public member function )  
any Test if any bit is set (public member function)  
none Test if no bit is set (public member function)

**3. 源码剖析**  
SGI bitset部分实现源码

**\[cpp\]** [ view plain][view plain] [copy][view plain]

1.  template<size\_t \_Nb>
2.  class bitset : private \_Base\_bitset<\_\_BITSET\_WORDS(\_Nb)>
3.  \{
4.  private:
5.  typedef \_Base\_bitset<\_\_BITSET\_WORDS(\_Nb)> \_Base;
6.  typedef unsigned long \_WordT;
7.  
8.  private:
9.  void \_M\_do\_sanitize() \{
10. \_Sanitize<\_Nb%\_\_BITS\_PER\_WORD>::\_M\_do\_sanitize(this\->\_M\_hiword());
11. \}
12. .....
13. \}

**\[cpp\]** [ view plain][view plain] [copy][view plain]

1.  \#define \_\_BITS\_PER\_WORD (CHAR\_BIT\*sizeof(unsigned long))
2.  \#define \_\_BITSET\_WORDS(\_\_n) \\
3.  ((\_\_n) < 1 ? 1 : ((\_\_n) + \_\_BITS\_PER\_WORD - 1)/\_\_BITS\_PER\_WORD)

**\[cpp\]** [ view plain][view plain] [copy][view plain]

1.  template<size\_t \_Nw>
2.  struct \_Base\_bitset \{
3.  typedef unsigned long \_WordT;
4.  
5.  \_WordT \_M\_w\[\_Nw\]; // 0 is the least significant word.
6.  
7.  \_Base\_bitset( void ) \{ \_M\_do\_reset(); \}
8.  \_Base\_bitset(unsigned long \_\_val) \{
9.  \_M\_do\_reset();
10. \_M\_w\[0\] = \_\_val;
11. \}
12. 
13. static size\_t \_S\_whichword( size\_t \_\_pos )
14. \{ return \_\_pos / \_\_BITS\_PER\_WORD; \}
15. static size\_t \_S\_whichbyte( size\_t \_\_pos )
16. \{ return (\_\_pos % \_\_BITS\_PER\_WORD) / CHAR\_BIT; \}
17. static size\_t \_S\_whichbit( size\_t \_\_pos )
18. \{ return \_\_pos % \_\_BITS\_PER\_WORD; \}
19. static \_WordT \_S\_maskbit( size\_t \_\_pos )
20. \{ return (static\_cast<\_WordT>(1)) << \_S\_whichbit(\_\_pos); \}
21. 
22. \_WordT& \_M\_getword(size\_t \_\_pos) \{ return \_M\_w\[\_S\_whichword(\_\_pos)\]; \}
23. \_WordT \_M\_getword(size\_t \_\_pos) const \{ return \_M\_w\[\_S\_whichword(\_\_pos)\]; \}
24. 
25. \_WordT& \_M\_hiword() \{ return \_M\_w\[\_Nw - 1\]; \}
26. \_WordT \_M\_hiword() const \{ return \_M\_w\[\_Nw - 1\]; \}
27. 
28. void \_M\_do\_and(const \_Base\_bitset<\_Nw>& \_\_x) \{
29. for ( size\_t \_\_i = 0; \_\_i < \_Nw; \_\_i++ ) \{
30. \_M\_w\[\_\_i\] &= \_\_x.\_M\_w\[\_\_i\];
31. \}
32. \}
33. 
34. void \_M\_do\_or(const \_Base\_bitset<\_Nw>& \_\_x) \{
35. for ( size\_t \_\_i = 0; \_\_i < \_Nw; \_\_i++ ) \{
36. \_M\_w\[\_\_i\] |= \_\_x.\_M\_w\[\_\_i\];
37. \}
38. \}
39. 
40. void \_M\_do\_xor(const \_Base\_bitset<\_Nw>& \_\_x) \{
41. for ( size\_t \_\_i = 0; \_\_i < \_Nw; \_\_i++ ) \{
42. \_M\_w\[\_\_i\] ^= \_\_x.\_M\_w\[\_\_i\];
43. \}
44. \}

节选上述代码，可以得到：  
1. bitset继承\_Base\_bitset，具体操作封装在\_Base\_bitset中  
2. bitset 的size作为模板参数(非类型模板参数的一个要求是，编译器能在编译期就能把参数确定下来)，因此， **bitset大小在编译期固定，不支持插入和删除元素**  
3. 各种位操作， **性能高**  
4.\_Base\_bitset使unsigned long作为底层存储， **不支持指针、引用、迭代器**  
5. 使用 \_WordT \_M\_w\[\_Nw\];分配内存， **因此在栈中定义bitset需要注意大小(和STL标准容器堆内存分配区别开)**。  
eg，下面的代码将栈溢出（测试机器栈内存10M）

**\[cpp\]** [ view plain][view plain] [copy][view plain]

1.  void fun()
2.  \{
3.  const int n = 800000000;
4.  
5.  bitset<n> a;
6.  cout << a.size() << endl;
7.  \}
8.  int main(int argc, char\*\* argv)
9.  \{
10. fun();
11. 
12. return 0;
13. \}

大内存分配可以分配在堆中，如下：

**\[cpp\]** [ view plain][view plain] [copy][view plain]

1.  const int n = 800000000;
2.  
3.  bitset<n> \*a = new(std::nothrow) bitset<n>;
4.  
5.  if(a)
6.  \{
7.  cout << a->size() << endl;
8.  delete a;
9.  a = NULL;
10. \}

**4. vector<bool>及deque<bool>**  
bitset高效，但是size必须在编译器确定，不支持插入和删除。因此，一个可能的替代品是vector<bool>和deque<bool>  
两者的区别：  
vector<bool>不是一个STL容器，并且不容纳bool（like bitse底层t机制）  
deque<bool>是一个STL容器，它保存真正的bool值  
分别运行

**\[cpp\]** [ view plain][view plain] [copy][view plain]

1.  deque<bool> a;
2.  a\[0\] = 0;
3.  bool\* b = &a\[0\];
4.  cout << \*b << endl;

和

**\[cpp\]** [ view plain][view plain] [copy][view plain]

1.  vector<bool> a;
2.  a\[0\] = 0;
3.  bool\* b = &a\[0\];
4.  cout << \*b << endl;

将会发现：  
使用deque<bool>正确，而是用vector<bool>会报错：“cannot convert \`std::\_Bit\_reference\*' to \`bool\*' in initialization“  
  
但是，deque简直是在践踏内存。  
**使用deque<bool>**

**\[cpp\]** [ view plain][view plain] [copy][view plain]

1.  int main(int argc, char\*\* argv)
2.  \{
3.  deque<bool> a(10000000000);
4.  sleep(100);
5.  return 0;
6.  \}

内存使用：  
PID USER PR NI VIRT RES SHR S %CPU %MEM TIME+ COMMAND  
23612 work 25 0 9990m 9.8g 720 S 0.0 65.0 0:39.35 test  
  
**使用vector<bool>**

**\[cpp\]** [ view plain][view plain] [copy][view plain]

1.  int main(int argc, char\*\* argv)
2.  \{
3.  vector<bool> a(10000000000);
4.  sleep(100);
5.  return 0;
6.  \}

内存使用：  
PID USER PR NI VIRT RES SHR S %CPU %MEM TIME+ COMMAND  
23909 work 25 0 1198m 1.2g 716 S 0.0 7.8 0:01.31 test  
  
**使用bitset**

**\[cpp\]** [ view plain][view plain] [copy][view plain]

1.  int main(int argc, char\*\* argv)
2.  \{
3.  const unsigned long int n = 10000000000;
4.  bitset<n> \*a = new(std::nothrow) bitset<n>;
5.  sleep(100);
6.  
7.  return 0;
8.  \}

PID USER PR NI VIRT RES SHR S %CPU %MEM TIME+ COMMAND  
24439 work 25 0 1198m 1.2g 712 S 30.7 7.8 0:00.92 test   
  
**10亿个bool，vector<bool>和bitset使用内存1198M，deque<bool>则是9990M**  
  
**5. 总结**  
在需要对位集合进行操作的时候，如何操作集合大小比较固定，优先选择高效的bitset；  
如果需要动态增删元素，或者编译期间无法确定集合大小，则可以考虑vector<bool>，deque<bool>内存开销太大，基本上不考虑。

参考：  
http://www.sgi.com/tech/stl/download.html  
http://www.cplusplus.com/reference/stl/vector/  
http://www.cplusplus.com/reference/stl/bitset/  
  
扩展阅读：

### Vector specialization: vector<bool> ###

*The vector class template has a special template specialization for the bool type.*  
  
This specialization is provided to optimize for space allocation: In this template specialization, each element occupies only one bit (which is eight times less than the smallest type in C++: char).  
  
The references to elements of a bool vector returned by the vector members are not references to bool objects, but a special member type which is a reference to a single bit, defined inside the vector<bool> class specialization as:

**\[cpp\]** [ view plain][view plain] [copy][view plain]

1.  class vector<bool>::reference \{
2.  friend class vector;
3.  reference(); // no public constructor
4.  public:
5.  ~reference();
6.  operator bool () const; // convert to bool
7.  reference& operator= ( const bool x ); // assign from bool
8.  reference& operator= ( const reference& x ); // assign from bit
9.  void flip(); // flip bit value.
10. \}

[view plain]: http://blog.csdn.net/yfkiss/article/details/6998231#

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