Fix timevar.cc build on systems that don't have CLOCK_MONOTONIC
[gcc.git] / libstdc++-v3 / doc / xml / manual / containers.xml
blob6d9a387492402fb06c01c1d9543cd27bde03cd36
1 <chapter xmlns="http://docbook.org/ns/docbook" version="5.0"
2          xml:id="std.containers" xreflabel="Containers">
3 <?dbhtml filename="containers.html"?>
5 <info><title>
6   Containers
7   <indexterm><primary>Containers</primary></indexterm>
8 </title>
9   <keywordset>
10     <keyword>ISO C++</keyword>
11     <keyword>library</keyword>
12   </keywordset>
13 </info>
17 <!-- Sect1 01 : Sequences -->
18 <section xml:id="std.containers.sequences" xreflabel="Sequences"><info><title>Sequences</title></info>
19 <?dbhtml filename="sequences.html"?>
22 <section xml:id="containers.sequences.list" xreflabel="list"><info><title>list</title></info>
23 <?dbhtml filename="list.html"?>
25   <section xml:id="sequences.list.size" xreflabel="list::size() is O(n)"><info><title>list::size() is O(n)</title></info>
27    <para>
28      Yes it is, at least using the <link linkend="manual.intro.using.abi">old
29      ABI</link>, and that's okay.  This is a decision that we preserved
30      when we imported SGI's STL implementation.  The following is
31      quoted from <link xmlns:xlink="http://www.w3.org/1999/xlink" xlink:href="https://web.archive.org/web/20171225062613/http://www.sgi.com/tech/stl/FAQ.html">their FAQ</link>:
32    </para>
33    <blockquote>
34      <para>
35        The size() member function, for list and slist, takes time
36        proportional to the number of elements in the list.  This was a
37        deliberate tradeoff.  The only way to get a constant-time
38        size() for linked lists would be to maintain an extra member
39        variable containing the list's size.  This would require taking
40        extra time to update that variable (it would make splice() a
41        linear time operation, for example), and it would also make the
42        list larger.  Many list algorithms don't require that extra
43        word (algorithms that do require it might do better with
44        vectors than with lists), and, when it is necessary to maintain
45        an explicit size count, it's something that users can do
46        themselves.
47      </para>
48      <para>
49        This choice is permitted by the C++ standard. The standard says
50        that size() <quote>should</quote> be constant time, and
51        <quote>should</quote> does not mean the same thing as
52        <quote>shall</quote>.  This is the officially recommended ISO
53        wording for saying that an implementation is supposed to do
54        something unless there is a good reason not to.
55       </para>
56       <para>
57         One implication of linear time size(): you should never write
58       </para>
59          <programlisting>
60          if (L.size() == 0)
61              ...
62          </programlisting>
64          <para>
65          Instead, you should write
66          </para>
68          <programlisting>
69          if (L.empty())
70              ...
71          </programlisting>
72    </blockquote>
73   </section>
74 </section>
76 </section>
78 <!-- Sect1 02 : Associative -->
79 <section xml:id="std.containers.associative" xreflabel="Associative"><info><title>Associative</title></info>
80 <?dbhtml filename="associative.html"?>
83   <section xml:id="containers.associative.insert_hints" xreflabel="Insertion Hints"><info><title>Insertion Hints</title></info>
85    <para>
86      Section [23.1.2], Table 69, of the C++ standard lists this
87      function for all of the associative containers (map, set, etc):
88    </para>
89    <programlisting>
90       a.insert(p,t);
91    </programlisting>
92    <para>
93      where 'p' is an iterator into the container 'a', and 't' is the
94      item to insert.  The standard says that <quote><code>t</code> is
95      inserted as close as possible to the position just prior to
96      <code>p</code>.</quote> (Library DR #233 addresses this topic,
97      referring to <link xmlns:xlink="http://www.w3.org/1999/xlink" xlink:href="https://www.open-std.org/jtc1/sc22/wg21/docs/papers/2005/n1780.html">N1780</link>.
98      Since version 4.2 GCC implements the resolution to DR 233, so
99      that insertions happen as close as possible to the hint. For
100      earlier releases the hint was only used as described below.
101    </para>
102    <para>
103      Here we'll describe how the hinting works in the libstdc++
104      implementation, and what you need to do in order to take
105      advantage of it.  (Insertions can change from logarithmic
106      complexity to amortized constant time, if the hint is properly
107      used.)  Also, since the current implementation is based on the
108      SGI STL one, these points may hold true for other library
109      implementations also, since the HP/SGI code is used in a lot of
110      places.
111    </para>
112    <para>
113      In the following text, the phrases <emphasis>greater
114      than</emphasis> and <emphasis>less than</emphasis> refer to the
115      results of the strict weak ordering imposed on the container by
116      its comparison object, which defaults to (basically)
117      <quote>&lt;</quote>.  Using those phrases is semantically sloppy,
118      but I didn't want to get bogged down in syntax.  I assume that if
119      you are intelligent enough to use your own comparison objects,
120      you are also intelligent enough to assign <quote>greater</quote>
121      and <quote>lesser</quote> their new meanings in the next
122      paragraph.  *grin*
123    </para>
124    <para>
125      If the <code>hint</code> parameter ('p' above) is equivalent to:
126    </para>
127      <itemizedlist>
128       <listitem>
129         <para>
130           <code>begin()</code>, then the item being inserted should
131           have a key less than all the other keys in the container.
132           The item will be inserted at the beginning of the container,
133           becoming the new entry at <code>begin()</code>.
134       </para>
135       </listitem>
136       <listitem>
137         <para>
138           <code>end()</code>, then the item being inserted should have
139           a key greater than all the other keys in the container.  The
140           item will be inserted at the end of the container, becoming
141           the new entry before <code>end()</code>.
142       </para>
143       </listitem>
144       <listitem>
145         <para>
146           neither <code>begin()</code> nor <code>end()</code>, then:
147           Let <code>h</code> be the entry in the container pointed to
148           by <code>hint</code>, that is, <code>h = *hint</code>.  Then
149           the item being inserted should have a key less than that of
150           <code>h</code>, and greater than that of the item preceding
151           <code>h</code>.  The new item will be inserted between
152           <code>h</code> and <code>h</code>'s predecessor.
153           </para>
154       </listitem>
155      </itemizedlist>
156    <para>
157      For <code>multimap</code> and <code>multiset</code>, the
158      restrictions are slightly looser: <quote>greater than</quote>
159      should be replaced by <quote>not less than</quote>and <quote>less
160      than</quote> should be replaced by <quote>not greater
161      than.</quote> (Why not replace greater with
162      greater-than-or-equal-to?  You probably could in your head, but
163      the mathematicians will tell you that it isn't the same thing.)
164    </para>
165    <para>
166      If the conditions are not met, then the hint is not used, and the
167      insertion proceeds as if you had called <code> a.insert(t)
168      </code> instead.  (<emphasis>Note </emphasis> that GCC releases
169      prior to 3.0.2 had a bug in the case with <code>hint ==
170      begin()</code> for the <code>map</code> and <code>set</code>
171      classes.  You should not use a hint argument in those releases.)
172    </para>
173    <para>
174      This behavior goes well with other containers'
175      <code>insert()</code> functions which take an iterator: if used,
176      the new item will be inserted before the iterator passed as an
177      argument, same as the other containers.
178    </para>
179    <para>
180      <emphasis>Note </emphasis> also that the hint in this
181      implementation is a one-shot.  The older insertion-with-hint
182      routines check the immediately surrounding entries to ensure that
183      the new item would in fact belong there.  If the hint does not
184      point to the correct place, then no further local searching is
185      done; the search begins from scratch in logarithmic time.
186    </para>
187   </section>
190   <section xml:id="containers.associative.bitset" xreflabel="bitset"><info><title>bitset</title></info>
191     <?dbhtml filename="bitset.html"?>
193     <section xml:id="associative.bitset.size_variable" xreflabel="Variable"><info><title>Size Variable</title></info>
195       <para>
196         No, you cannot write code of the form
197       </para>
198       <!-- Careful, the leading spaces in PRE show up directly. -->
199    <programlisting>
200       #include &lt;bitset&gt;
202       void foo (size_t n)
203       {
204           std::bitset&lt;n&gt;   bits;
205           ....
206       }
207    </programlisting>
208    <para>
209      because <code>n</code> must be known at compile time.  Your
210      compiler is correct; it is not a bug.  That's the way templates
211      work.  (Yes, it <emphasis>is</emphasis> a feature.)
212    </para>
213    <para>
214      There are a couple of ways to handle this kind of thing.  Please
215      consider all of them before passing judgement.  They include, in
216      no particular order:
217    </para>
218       <itemizedlist>
219         <listitem><para>A very large N in <code>bitset&lt;N&gt;</code>.</para></listitem>
220         <listitem><para>A container&lt;bool&gt;.</para></listitem>
221         <listitem><para>Extremely weird solutions.</para></listitem>
222       </itemizedlist>
223    <para>
224      <emphasis>A very large N in
225      <code>bitset&lt;N&gt;</code>.  </emphasis> It has been
226      pointed out a few times in newsgroups that N bits only takes up
227      (N/8) bytes on most systems, and division by a factor of eight is
228      pretty impressive when speaking of memory.  Half a megabyte given
229      over to a bitset (recall that there is zero space overhead for
230      housekeeping info; it is known at compile time exactly how large
231      the set is) will hold over four million bits.  If you're using
232      those bits as status flags (e.g.,
233      <quote>changed</quote>/<quote>unchanged</quote> flags), that's a
234      <emphasis>lot</emphasis> of state.
235    </para>
236    <para>
237      You can then keep track of the <quote>maximum bit used</quote>
238      during some testing runs on representative data, make note of how
239      many of those bits really need to be there, and then reduce N to
240      a smaller number.  Leave some extra space, of course.  (If you
241      plan to write code like the incorrect example above, where the
242      bitset is a local variable, then you may have to talk your
243      compiler into allowing that much stack space; there may be zero
244      space overhead, but it's all allocated inside the object.)
245    </para>
246    <para>
247      <emphasis>A container&lt;bool&gt;.  </emphasis> The
248      Committee made provision for the space savings possible with that
249      (N/8) usage previously mentioned, so that you don't have to do
250      wasteful things like <code>Container&lt;char&gt;</code> or
251      <code>Container&lt;short int&gt;</code>.  Specifically,
252      <code>vector&lt;bool&gt;</code> is required to be specialized for
253      that space savings.
254    </para>
255    <para>
256      The problem is that <code>vector&lt;bool&gt;</code> doesn't
257      behave like a normal vector anymore.  There have been
258      journal articles which discuss the problems (the ones by Herb
259      Sutter in the May and July/August 1999 issues of C++ Report cover
260      it well).  Future revisions of the ISO C++ Standard will change
261      the requirement for <code>vector&lt;bool&gt;</code>
262      specialization.  In the meantime, <code>deque&lt;bool&gt;</code>
263      is recommended (although its behavior is sane, you probably will
264      not get the space savings, but the allocation scheme is different
265      than that of vector).
266    </para>
267    <para>
268      <emphasis>Extremely weird solutions.  </emphasis> If
269      you have access to the compiler and linker at runtime, you can do
270      something insane, like figuring out just how many bits you need,
271      then writing a temporary source code file.  That file contains an
272      instantiation of <code>bitset</code> for the required number of
273      bits, inside some wrapper functions with unchanging signatures.
274      Have your program then call the compiler on that file using
275      Position Independent Code, then open the newly-created object
276      file and load those wrapper functions.  You'll have an
277      instantiation of <code>bitset&lt;N&gt;</code> for the exact
278      <code>N</code> that you need at the time.  Don't forget to delete
279      the temporary files.  (Yes, this <emphasis>can</emphasis> be, and
280      <emphasis>has been</emphasis>, done.)
281    </para>
282    <!-- I wonder if this next paragraph will get me in trouble... -->
283    <para>
284      This would be the approach of either a visionary genius or a
285      raving lunatic, depending on your programming and management
286      style.  Probably the latter.
287    </para>
288    <para>
289      Which of the above techniques you use, if any, are up to you and
290      your intended application.  Some time/space profiling is
291      indicated if it really matters (don't just guess).  And, if you
292      manage to do anything along the lines of the third category, the
293      author would love to hear from you...
294    </para>
295    <para>
296      Also note that the implementation of bitset used in libstdc++ has
297      <link linkend="manual.ext.containers.sgi">some extensions</link>.
298    </para>
300     </section>
301     <section xml:id="associative.bitset.type_string" xreflabel="Type String"><info><title>Type String</title></info>
303       <para>
304       </para>
305    <para>
306      Bitmasks do not take char* nor const char* arguments in their
307      constructors.  This is something of an accident, but you can read
308      about the problem: follow the library's <quote>Links</quote> from
309      the homepage, and from the C++ information <quote>defect
310      reflector</quote> link, select the library issues list.  Issue
311      number 116 describes the problem.
312    </para>
313    <para>
314      For now you can simply make a temporary string object using the
315      constructor expression:
316    </para>
317    <programlisting>
318       std::bitset&lt;5&gt; b ( std::string("10110") );
319    </programlisting>
321    <para>
322      instead of
323    </para>
325     <programlisting>
326       std::bitset&lt;5&gt; b ( "10110" );    // invalid
327     </programlisting>
328     </section>
329   </section>
331 </section>
333 <!-- Sect1 03 : Unordered Associative -->
334 <section xml:id="std.containers.unordered" xreflabel="Unordered">
335   <info><title>Unordered Associative</title></info>
336   <?dbhtml filename="unordered_associative.html"?>
338   <section xml:id="containers.unordered.insert_hints" xreflabel="Insertion Hints">
339     <info><title>Insertion Hints</title></info>
341     <para>
342      Here is how the hinting works in the libstdc++ implementation of unordered
343      containers, and the rationale behind this behavior.
344     </para>
345     <para>
346       In the following text, the phrase <emphasis>equivalent to</emphasis> refer
347       to the result of the invocation of the equal predicate imposed on the
348       container by its <code>key_equal</code> object, which defaults to (basically)
349       <quote>==</quote>.
350     </para>
351     <para>
352       Unordered containers can be seen as a <code>std::vector</code> of
353       <code>std::forward_list</code>. The <code>std::vector</code> represents
354       the buckets and each <code>std::forward_list</code> is the list of nodes
355       belonging to the same bucket. When inserting an element in such a data
356       structure we first need to compute the element hash code to find the
357       bucket to insert the element to, the second step depends on the uniqueness
358       of elements in the container.
359     </para>
360     <para>
361       In the case of <code>std::unordered_set</code> and
362       <code>std::unordered_map</code> you need to look through all bucket's
363       elements for an equivalent one. If there is none the insertion can be
364       achieved, otherwise the insertion fails. As we always need to loop though
365       all bucket's elements, the hint doesn't tell us if the element is already
366       present, and we don't have any constraint on where the new element is to
367       be inserted, the hint won't be of any help and will then be ignored.
368     </para>
369     <para>
370       In the case of <code>std::unordered_multiset</code>
371       and <code>std::unordered_multimap</code> equivalent elements must be
372       linked together so that the <code>equal_range(const key_type&amp;)</code>
373       can return the range of iterators pointing to all equivalent elements.
374       This is where hinting can be used to point to another equivalent element
375       already part of the container and so skip all non equivalent elements of
376       the bucket. So to be useful the hint shall point to an element equivalent
377       to the one being inserted. The new element will be then inserted right
378       after the hint. Note that because of an implementation detail inserting
379       after a node can require updating the bucket of the following node. To
380       check if the next bucket is to be modified we need to compute the
381       following node's hash code. So if you want your hint to be really efficient
382       it should be followed by another equivalent element, the implementation
383       will detect this equivalence and won't compute next element hash code.
384     </para>
385     <para>
386       It is highly advised to start using unordered containers hints only if you
387       have a benchmark that will demonstrate the benefit of it. If you don't then do
388       not use hints, it might do more harm than good.
389     </para>
390   </section>
392   <section xml:id="containers.unordered.hash" xreflabel="Hash">
393     <info><title>Hash Code</title></info>
395   <section xml:id="containers.unordered.cache" xreflabel="Cache">
396     <info><title>Hash Code Caching Policy</title></info>
398     <para>
399       The unordered containers in libstdc++ may cache the hash code for each
400       element alongside the element itself. In some cases not recalculating
401       the hash code every time it's needed can improve performance, but the
402       additional memory overhead can also reduce performance, so whether an
403       unordered associative container caches the hash code or not depends on
404       the properties described below.
405     </para>
406     <para>
407       The C++ standard requires that <code>erase</code> and <code>swap</code>
408       operations must not throw exceptions. Those operations might need an
409       element's hash code, but cannot use the hash function if it could
410       throw.
411       This means the hash codes will be cached unless the hash function
412       has a non-throwing exception specification such as <code>noexcept</code>
413       or <code>throw()</code>.
414     </para>
415     <para>
416       If the hash function is non-throwing then libstdc++ doesn't need to
417       cache the hash code for
418       correctness, but might still do so for performance if computing a
419       hash code is an expensive operation, as it may be for arbitrarily
420       long strings.
421       As an extension libstdc++ provides a trait type to describe whether
422       a hash function is fast. By default hash functions are assumed to be
423       fast unless the trait is specialized for the hash function and the
424       trait's value is false, in which case the hash code will always be
425       cached.
426       The trait can be specialized for user-defined hash functions like so:
427     </para>
428     <programlisting>
429       #include &lt;unordered_set&gt;
431       struct hasher
432       {
433         std::size_t operator()(int val) const noexcept
434         {
435           // Some very slow computation of a hash code from an int !
436           ...
437         }
438       }
440       namespace std
441       {
442         template&lt;&gt;
443           struct __is_fast_hash&lt;hasher&gt; : std::false_type
444           { };
445       }
446     </programlisting>
447   </section>
448 </section>
450 </section>
452 <!-- Sect1 04 : Interacting with C -->
453 <section xml:id="std.containers.c" xreflabel="Interacting with C"><info><title>Interacting with C</title></info>
454 <?dbhtml filename="containers_and_c.html"?>
457   <section xml:id="containers.c.vs_array" xreflabel="Containers vs. Arrays"><info><title>Containers vs. Arrays</title></info>
459    <para>
460      You're writing some code and can't decide whether to use builtin
461      arrays or some kind of container.  There are compelling reasons
462      to use one of the container classes, but you're afraid that
463      you'll eventually run into difficulties, change everything back
464      to arrays, and then have to change all the code that uses those
465      data types to keep up with the change.
466    </para>
467    <para>
468      If your code makes use of the standard algorithms, this isn't as
469      scary as it sounds.  The algorithms don't know, nor care, about
470      the kind of <quote>container</quote> on which they work, since
471      the algorithms are only given endpoints to work with.  For the
472      container classes, these are iterators (usually
473      <code>begin()</code> and <code>end()</code>, but not always).
474      For builtin arrays, these are the address of the first element
475      and the <link linkend="iterators.predefined.end">past-the-end</link> element.
476    </para>
477    <para>
478      Some very simple wrapper functions can hide all of that from the
479      rest of the code.  For example, a pair of functions called
480      <code>beginof</code> can be written, one that takes an array,
481      another that takes a vector.  The first returns a pointer to the
482      first element, and the second returns the vector's
483      <code>begin()</code> iterator.
484    </para>
485    <para>
486      The functions should be made template functions, and should also
487      be declared inline.  As pointed out in the comments in the code
488      below, this can lead to <code>beginof</code> being optimized out
489      of existence, so you pay absolutely nothing in terms of increased
490      code size or execution time.
491    </para>
492    <para>
493      The result is that if all your algorithm calls look like
494    </para>
495    <programlisting>
496    std::transform(beginof(foo), endof(foo), beginof(foo), SomeFunction);
497    </programlisting>
498    <para>
499      then the type of foo can change from an array of ints to a vector
500      of ints to a deque of ints and back again, without ever changing
501      any client code.
502    </para>
504 <programlisting>
505 // beginof
506 template&lt;typename T&gt;
507   inline typename vector&lt;T&gt;::iterator
508   beginof(vector&lt;T&gt; &amp;v)
509   { return v.begin(); }
511 template&lt;typename T, unsigned int sz&gt;
512   inline T*
513   beginof(T (&amp;array)[sz]) { return array; }
515 // endof
516 template&lt;typename T&gt;
517   inline typename vector&lt;T&gt;::iterator
518   endof(vector&lt;T&gt; &amp;v)
519   { return v.end(); }
521 template&lt;typename T, unsigned int sz&gt;
522   inline T*
523   endof(T (&amp;array)[sz]) { return array + sz; }
525 // lengthof
526 template&lt;typename T&gt;
527   inline typename vector&lt;T&gt;::size_type
528   lengthof(vector&lt;T&gt; &amp;v)
529   { return v.size(); }
531 template&lt;typename T, unsigned int sz&gt;
532   inline unsigned int
533   lengthof(T (&amp;)[sz]) { return sz; }
534 </programlisting>
536    <para>
537      Astute readers will notice two things at once: first, that the
538      container class is still a <code>vector&lt;T&gt;</code> instead
539      of a more general <code>Container&lt;T&gt;</code>.  This would
540      mean that three functions for <code>deque</code> would have to be
541      added, another three for <code>list</code>, and so on.  This is
542      due to problems with getting template resolution correct; I find
543      it easier just to give the extra three lines and avoid confusion.
544    </para>
545    <para>
546      Second, the line
547    </para>
548    <programlisting>
549     inline unsigned int lengthof (T (&amp;)[sz]) { return sz; }
550    </programlisting>
551    <para>
552      looks just weird!  Hint:  unused parameters can be left nameless.
553    </para>
554   </section>
556 </section>
558 </chapter>