Version vom 29. November 2015, 20:55 Uhr

In der Spieleentwicklung ist es oft nötig, ein gewisse Menge an identischen Daten zu verwalten. Um die Verwaltung der Daten nicht nicht von Grund auf selber zu programmieren bietet die Standard Template Libary eine umfangreiche Sammlung an Kontainern, die das Verwalten der Daten erheblich erleichtert. Die Arbeitsweise und wofür die Verschiedenen Kontainer sind soll in diesem Artikel näher beschrieben werden.

Was ist ein Kontainer

Einen Kontainer kann man sich als Behältnis für Daten vorstellen, diese Daten werden auch Elemente genannt. Einen bekannter (nicht STL) Kontainer, den wohl jeder bereits kennt und benutzt hat, ist ein simples eindimenionales Array. Der Vorteil bei den STL Kontainer ist, dass die Anzahl der Elemente in den meinsten Fällen dynamisch wachsen können. Es spielt dabei keine Rolle ob diese Daten Structs, Klassen oder eines der Grunddatentypen sind. Wie das "Befüllen" mit Daten erfolgt, hängt aber vom Konatainer selber ab, da sich die Interne Datenstrukture von Kontainertyp zu Kontainertyp unterscheiden kann. Bedingt durch den Aufbau der Kontainer kann man diese in 3 Kategorien aufteilen:

• Sequentielle Kontainer
• Assoziative Kontainer
• Kontainer Adapter

Um die Verwaltung des benötigten Speichers, kümmern sich die Kontainer selber.

Sequentielle Kontainer

Die Daten in einem Sequentiellen Kontainer liegen in der Reihenfolge vor wie sie Eingefügt wurden. Das heist wurde ein Element als drittes hinzugefügt ist es auch später wieder an dieser stelle zu finden. Für Sequentielle Kontainer kann ein Iterator erstellt werde, der es ermöglicht alle Elemente des Kontainers über eine Schleife zu erreichen.

Zu den Sequentille Kontainer gehören:

• array
• deque
• forward_list
• list
• vector

Assoziative Kontainer

Die Assoziative Kontainer können weiter unterteilt werden in Map- und Set-Kontainer, sowie jeweils in eine multi Version. An welche Stelle im Kontainer die Elemente eingeordnet werden, kann über eine eigene Vergleichsfunktion bestimmt werden.

Mit C++11 wurden noch jeweils eine ungeordnete Versionen eingeführt. Ungeordnet heist in diesem Zusammenhang aber nur, dass nicht die Möglichkeit gegeben ist eine (eigene) Vergleichsfunktion einzusetzen. Intern arbeiten diese ungeordneten Kontainer mit Hashwerten, der Zugriff auf die Daten ist so wesentlich schneller. Es besteht aber die Möglichkeit einen eigenen Hash-Algorithmus einzusetzen, um die Reihenfolge der Daten festzulegen.

Der Zugriff auf ein Elemente kann bei allen Assoziative Kontainer über einen Schlüssel erfolgen. Die Map-Kontainer besitzen ein Schlüssel-Werte-Paar, Schlüssel und Wert können (müssen aber nicht) unterschiedliche Datentypen sein. Die Set-Kontainer besitzen lediglich den Schlüssel, der gleichzeitig auch den Wert darstellt. Der Schlüssel darf dabei nur einmalig im Kontainer vorkommen, es sei den es handelt sich um die multi Version, hier darf der Schlüssel mehrfach vorkommen.

Für Assoziative Kontainer kann ein Iterator erstellt werde, der es ermöglicht alle Elemente des Kontainers über eine Schleife zu erreichen.

Zu den Assoziative Kontainer gehören:

• map
• multimap
• unordered_map
• unordered_multimap
• set
• multiset
• unordered_set
• unordered_multiset

Kontaineradapter

Die Kontaineradapter sind spezielle Varianten von Sequentiellen Kontainer oder Assoziative Kontainer. Diese Kontainer sind auf besondere Aufgaben zugeschnitten, deshalb ist das Interface einfach gehalten und verzichtet auf Iteratoren.

Zu den Kontaineradapter gehören:

• priority_queue
• queue
• stack

Allgemeines

Die Kontainer der Standard Template Libary befinden sich im Namensraum std.

Klassen und Structs sollten Kopierbar sein, dass heißt einen public Kopierkonstruktor haben. Sind sie nicht Kopierbar, müssen die Structs oder Klassen Moveable sein, dieses funktioniert aber nur solange die Objekte nicht Kopiert werden. Moveable bedeutet in diesem Zusammenhang, dass die Klassen oder Structs einen Movekonstruktor benötigen, dann kann die Instanz der Klasse mit der Funktion std::move(T) herumgereicht werden.

Einige Kontainer benötigen bei bestimmten Operationen ein public default Konstruktor oder ein public Gleichheits-Operator, welche bei Klassen oder Structs dann Implementiert werden muss. Geordnete Assoziative Kontainer benötigen, von den Klassen und Structs, einen öffentlichen Vergleichs-Operator.

Header

In folgender Tabelle sind die Header ersichtlich, die Includiert werden müssen, damit der entsprechende Kontainer genutzt werden kann.

Klassenfunktionen

#include <deque>
#include <iostream>
 
int main()
{
    int first = 1;
    int second = 2;
    int third = 3;
 
    std::deque<int> dequeContainer1, dequeContainer2, dequeContainer3;
 
    // 2) fügt 7 mal first in dequeContainer2 ein
    dequeContainer2.assign(7, first);
 
    // 1) fügt von dequeContainer2 die Elemente 2,3,4,5 und 6 in dequeContainer1 ein
    dequeContainer1.assign(dequeContainer2.begin() + 1, dequeContainer2.end() - 1);
 
    // 3) fügt die 3 Instanzen von intArray in dequeContainer3 ein
    int intArray[] = {first, second, third};
    dequeContainer3.assign(intArray, intArray + 3);
 
    std::cout << dequeContainer1.size() << std::endl;
    std::cout << dequeContainer2.size() << std::endl;
    std::cout << dequeContainer3.size() << std::endl;
 
    return 0;
}
 
/*
Ausgabe: 
5
7
3
*/

#include <forward_list>
#include <iostream>
 
int main()
{
    int first = 1;
    int second = 2;
    int third = 3;
 
    std::forward_list<int> forwardListContainer1, forwardListContainer2;
 
    // 2) fügt 7 mal first in forwardListContainer2 ein
    forwardListContainer2.assign(7, first);
 
    // 1) fügt von forwardListContainer2 alle Elemente in forwardListContainer1 ein
    forwardListContainer1.assign(forwardListContainer2.begin(), forwardListContainer2.end());
 
    // 3) fügt die 3 Instanzen von intArray in forwardListContainer2 ein
    int intArray[] = {first, second, third};
    forwardListContainer2.assign(intArray, intArray + 3);
    
    // Ausgabe Inhalt
    std::cout << "forwardListContainer1: ";
    for(auto it = forwardListContainer1.begin(); it !=  forwardListContainer1.end(); ++it)
        std::cout << *it << " ";
 
    std::cout << std::endl;
    // Ausgabe Inhalt
    std::cout << "forwardListContainer2: ";
    for(auto it = forwardListContainer2.begin(); it !=  forwardListContainer2.end(); ++it)
        std::cout << *it << " ";
 
    return 0;
}
 
/*
Ausgabe:
forwardListContainer1: 1 1 1 1 1 1 1
forwardListContainer2: 1 2 3
*/

#include <list>
#include <iostream>
 
int main()
{
    int first = 1;
    int second = 2;
    int third = 3;
 
    std::list<int> listContainer1, listContainer2;
 
    // 2) fügt 7 mal first listContainer2 ein
    listContainer2.assign(7, first);
 
    // 1) fügt von listContainer2 alle Elemente 1 in listContainer1 ein
    listContainer1.assign(listContainer2.begin(), listContainer2.end());
 
    // 3) fügt die 3 Instanzen von intArray in listContainer2 ein
    int intArray[] = {first, second, third};
    listContainer2.assign(intArray, intArray + 3);
    
    std::cout << "listContainer1 size: " << listContainer1.size() << std::endl;
    std::cout << "listContainer2 size: " << listContainer2.size() << std::endl;
 
    return 0;
}
 
/*
Ausgabe:
listContainer1 size: 7
listContainer2 size: 3
*/

#include <vector>
#include <iostream>
 
int main()
{
    int first = 1;
    int second = 2;
    int third = 3;
 
    std::vector<int> vectorContainer1, vectorContainer2;
 
    // 2) fügt 7 mal first vectorContainer2 ein
    vectorContainer2.assign(7, first);
 
    // 1) fügt von vectorContainer2 die Elemente 2,3,4,5 und 6 in vectorContainer1 ein
    vectorContainer1.assign(vectorContainer2.begin() + 1, vectorContainer2.end() - 1);
 
    // 3) fügt die 3 Instanzen von intArray in vectorContainer2 ein
    int intArray[] = {first, second, third};
    vectorContainer2.assign(intArray, intArray + 3);
    
    std::cout << "vectorContainer1 size: " << vectorContainer1.size() << std::endl;
    std::cout << "vectorContainer2 size: " << vectorContainer2.size() << std::endl;
 
    return 0;
}
 
/*
Ausgabe:
vectorContainer1 size: 5
vectorContainer2 size: 3
*/

#include <iostream>
 
int main()
{
    return 0;
}

#include <iostream>
 
int main()
{
    return 0;
}

#include <iostream>
 
int main()
{
    return 0;
}

#include <iostream>
 
int main()
{
    return 0;
}

#include <iostream>
 
int main()
{
    return 0;
}

Laufzeitverhalten

Diagramm Laufzeitverhalten für O(1), O(log n) und O(n)

Eine direkte Zeitangabe ist wenig sinvoll, da diese auch von der Hardware abhängig ist. Das Laufzeitverhalten beschreibt, wie sich der Zeitaufwand ändert, wenn sich die Anzahl der Elemente im Kontainer erhöt. Da es bei großen Projekten oft auch um Geschwindikeit geht, kann hier schon im Vorfeld die Richtige wahl, Refactoring vermeiden.

Bedeutung:

• O(1) - Konstante Laufzeit
• O(1)+ - nahezu Konstante Laufzeit (bei mehrfach verwendeten Schlüssel kann sich diese im worst case auch auf O(n) erhöhen)
• O(log n) - Logarithmischer zuwachs
• O(n) - linearer zuwaschs
• N/A - Kontainer bietet die angegebene Möglichkeit nicht