【C++】STL快速入门基础

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STL(Standard Template Library)

1、一般介绍

STL(Standard Template Library)是一个具有工业强度的、高效的C++程序库,被容纳于C++标准程序库中,是ANSI/ISO C++标准中最新的一部分。STL包含了在计算机科学领域常用的基本数据结构和基本算法,为广大C++程序员提供了一个可扩展的应用框架,高度体现了软件的可复用性。

STL在逻辑层次上体现了泛型化程序设计的思想,引入了诸多新的名词,如需求(requirements)、概念(concept)、模型(model)、容器(container)、算法(algorithmn)、迭代子(iterator)等。与OOP(object-oriented programming)中的多态(polymorphism)一样,泛型也是一种软件的复用技术。

在实现层次上,整个STL是以一种类型参数化(type parameterized)的方式实现的,基于一个在早先C++标准中没有出现的语言特性--模板(template)。如果查阅任何一个版本的STL源代码,你就会发现,模板作为构成整个STL的基石是一件千真万确的事情。除此之外,还有许多C++的新特性为STL的实现提供了方便。

2、STL的六大组件

STL的六大组件包括:

  1. 容器(Container):包括序列式容器(Sequence containers)和关联式容器(Associated containers)。

    • 序列式容器:每个元素有固定位置,如vector、deque、list。
    • 关联式容器:元素位置取决于特定的排序准则,如set、multiset、map、multimap。
  2. 迭代器(Iterator):提供访问容器中对象的方法,包括iterator、const_iterator、reverse_iterator和const_reverse_iterator。

  3. 算法(Algorithm):用于操作容器中的数据,如sort()、find()等,与操作的数据结构和类型无关,可在各种数据结构上使用。

  4. 仿函数(Function object):重载了()操作符的struct,用于自定义操作。

  5. 迭代适配器(Adaptor):用于在不同的迭代器之间进行转换。

  6. 空间配置器(Allocator):用于对象的创建与销毁、内存的获取与释放。

STL的容器比较包括vector、deque、list、set、multiset、map、multimap等,各自具有不同的特点和适用场景。迭代器模式提供了一种方法顺序访问一个聚合对象中的元素,而不需暴露该对象的内部表示,提高了代码的灵活性和复用性。

2.1、STL容器

STL(标准模板库)提供了多种容器,用于存储和管理数据。常见的STL容器包括以下几种:

  1. 序列式容器(Sequence Containers):

    • vector:动态数组,支持快速随机访问,尾部插入/删除速度快,中间插入/删除较慢。
    • deque:双端队列,支持快速随机访问,首尾插入/删除速度快,中间插入/删除较慢。
    • list:双向链表,不支持随机访问,任意位置插入/删除速度快。
  2. 关联式容器(Associative Containers):

    • set:集合,内部元素按照某种规则自动排序,元素值唯一。
    • multiset:多重集合,内部元素按照某种规则自动排序,可以有重复元素。
    • map:映射,键值对集合,内部元素按照键值排序,键值唯一。
    • multimap:多重映射,键值对集合,内部元素按照键值排序,可以有重复键值。
  3. 无序关联式容器(Unordered Associative Containers):

    • unordered_set:无序集合,内部元素不按照特定顺序存储,元素值唯一。
    • unordered_multiset:无序多重集合,内部元素不按照特定顺序存储,可以有重复元素。
    • unordered_map:无序映射,键值对集合,内部元素不按照特定顺序存储,键值唯一。
    • unordered_multimap:无序多重映射,键值对集合,内部元素不按照特定顺序存储,可以有重复键值。
  4. 容器适配器(Container Adapters):

    ​ 实际上是容器适配器(container adapter),它们并非真正的容器,而是对底层容器(如vectordequelist等)进行了封装,提供了特定的功能接口。

    • stack:栈,基于底层容器实现的栈数据结构。
    • queue:队列,基于底层容器实现的队列数据结构。
    • priority_queue:优先队列,基于堆(heap)实现的优先队列数据结构。

每种容器都有其特定的使用场景和性能特点,选择合适的容器可以提高程序的效率和可维护性。

各容器的比较:

容器 数据结构 随机存取 搜索速度(时间复杂度) 快速插入移除
vector 动态数组 Yes O(1) 尾部
deque 数组的数组 Yes O(1) 首尾
list 双向链表 No O(n) 任何位置
set 红黑树 No O(log n) --
map 红黑树 Yes(key) O(log n) --
unordered_map 哈希表 Yes O(1) --
unordered_set 哈希表 No O(1) --
stack deque Yes O(1) 尾部
queue deque Yes O(1) 首部
priority_queue vector(heap) Yes O(log n) --

2.2、STL迭代器

Iterator(迭代器)模式又称Cursor(游标)模式,用于提供一种方法顺序访问一个聚合对象中各个元素,而又不需暴露该对象的内部表示。或者这样说可能更容易理解:Iterator模式是运用于聚合对象的一种模式,通过运用该模式,使得我们可以在不知道对象内部表示的情况下,按照一定顺序(由iterator提供的方法)访问聚合对象中的各个元素。

迭代器的作用:能够让迭代器与算法不干扰的相互发展,最后又能无间隙的粘合起来,重载了***,++,==,!=,=**运算符。用以操作复杂的数据结构,容器提供迭代器,算法使用迭代器;

常见的一些迭代器的种类包括:

  • Input Iterator:从容器中读取元素,只能一次读入一个元素向前移动,只支持一遍算法。
  • Output Iterator:向容器中写入元素,只能一次一个元素向前移动,只支持一遍算法。
  • Forward Iterator:组合输入迭代器和输出迭代器的功能,并保留在容器中的位置。
  • Bidirectional Iterator:组合正向迭代器和逆向迭代器的功能,支持多遍算法。
  • Random Access Iterator:组合双向迭代器的功能与直接访问容器中任何元素的功能,可以向前向后跳过任意个元素。

上述5种迭代器的继承关系如下图所示:

要注意,上面这图表并不是表明它们之间的继承关系:而只是描述了迭代器的种类和接口。处于图表下层的迭代器都是相对于处于图表上层迭代器的扩张集。例如:forward迭代器不但拥有input和output迭代器的所有功能,还拥有更多的功能。

迭代器一般声明使用示例

CPP 复制代码
vector<T>::iterator it;
list<T>::iterator it;
deque<T>::iterator it;

每种迭代器均可进行包括表中前一种迭代器可进行的操作

迭代器操作 说明
所有迭代器
p++ 后置自增迭代器
++p 前置自增迭代器
输入迭代器
*p 复引用迭代器,作为右值
p=p1 将一个迭代器赋给另一个迭代器
p==p1 比较迭代器的相等性
p!=p1 比较迭代器的不等性
输出迭代器
*p 复引用迭代器,作为左值
p=p1 将一个迭代器赋给另一个迭代器
正向迭代器 提供输入输出迭代器的所有功能
双向迭代器
--p 前置自减迭代器
p-- 后置自减迭代器
随机迭代器
p+=i 将迭代器递增i位
p-=i 将迭代器递减i位
p+i 在p位加i位后的迭代器
p-i 在p位减i位后的迭代器
p[i] 返回p位元素偏离i位的元素引用
p<p1 如果迭代器p的位置在p1前,返回true,否则返回false
p<=p1 p的位置在p1的前面或同一位置时返回true,否则返回false
p>p1 如果迭代器p的位置在p1后,返回true,否则返回false
p>=p1 p的位置在p1的后面或同一位置时返回true,否则返回false

2.3、相关容器的函数

vector
  • 变长数组,采用倍增的思想。
  • size(): 返回元素个数。
  • empty(): 返回是否为空。
  • clear(): 清空容器。
  • front()/back(): 返回第一个/最后一个元素。
  • push_back()/pop_back(): 在尾部插入/删除一个元素。
  • begin()/end(): 返回迭代器指向容器的起始/末尾位置。
  • []: 支持下标访问,按照顺序访问元素。
  • 支持比较运算,按照字典序排序。
pair
  • 存储一对值,通常用于存储一对相关联的数据。
  • first: 第一个元素。
  • second: 第二个元素。
  • 支持比较运算,以first为第一关键字,以second为第二关键字(按照字典序)。
string
  • 字符串容器。
  • size()/length(): 返回字符串长度。
  • empty(): 返回是否为空。
  • clear(): 清空字符串。
  • substr(start, length): 返回子串。
  • c_str(): 返回字符串所在字符数组的起始地址。
queue
  • 队列容器。
  • size(): 返回队列中元素个数。
  • empty(): 返回是否为空。
  • push(val): 向队尾插入一个元素。
  • front(): 返回队头元素。
  • back(): 返回队尾元素。
  • pop(): 弹出队头元素。
priority_queue
  • 优先队列容器,默认是大根堆。
  • size(): 返回优先队列中元素个数。
  • empty(): 返回是否为空。
  • push(val): 插入一个元素。
  • top(): 返回堆顶元素。
  • pop(): 弹出堆顶元素。
  • 可以定义成小根堆的方式:priority_queue<int, vector<int>, greater<int>> q;
stack
  • 栈容器。
  • size(): 返回栈中元素个数。
  • empty(): 返回是否为空。
  • push(val): 向栈顶插入一个元素。
  • top(): 返回栈顶元素。
  • pop(): 弹出栈顶元素。
deque
  • 双端队列容器。
  • size(): 返回双端队列中元素个数。
  • empty(): 返回是否为空。
  • clear(): 清空双端队列。
  • front()/back(): 返回第一个/最后一个元素。
  • push_back()/pop_back(): 在尾部插入/删除一个元素。
  • push_front()/pop_front(): 在头部插入/删除一个元素。
  • begin()/end(): 返回迭代器指向容器的起始/末尾位置。
  • []: 支持下标访问,按照顺序访问元素。
set, map, multiset, multimap
  • 基于平衡二叉树(红黑树)的动态维护有序序列容器。
  • size(): 返回容器中元素个数。
  • empty(): 返回是否为空。
  • clear(): 清空容器。
  • begin()/end(): 返回迭代器指向容器的起始/末尾位置。
  • ++, --: 返回前驱和后继,时间复杂度 O(logn)。
  • insert(): 插入一个元素。
  • find(): 查找一个元素。
  • count(): 返回某个元素的个数。
  • erase(): 删除元素,支持输入一个元素值或一个迭代器。
  • lower_bound()/upper_bound(): 返回大于等于/大于某个值的最小元素的迭代器。
unordered_set, unordered_map, unordered_multiset, unordered_multimap
  • 哈希表容器。
  • 增删改查的时间复杂度是 O(1)。
  • 不支持 lower_bound()/upper_bound(),迭代器的 ++, --
bitset
  • 位集合容器,用于处理位操作。
  • bitset<10000> s;
  • 支持位运算操作 ~, &, |, ^, >>, <<.
  • 支持比较操作 ==, !=.
  • 支持 [] 访问操作。
  • count(): 返回有多少个1。
  • any(): 判断是否至少有一个1。
  • none(): 判断是否全为0。
  • set(): 把所有位设置为1。
  • set(k, v): 将第k位设置为v。
  • reset(): 把所有位设置为0。
  • flip(): 对所有位取反,等价于 ~
  • flip(k): 对第k位取反。

3、STL算法概述

STL(Standard Template Library)算法是C++标准模板库的核心部分,提供了丰富的算法来操作各种容器。STL算法主要由头文件<algorithm>, <numeric>, <functional>组成。要使用STL中的算法函数必须包含头文件<algorithm>,对于数值算法需要包含<numeric><functional>中定义了一些模板类,用来声明函数对象。

STL中的算法大致可以分为以下四类:

  1. 非可变序列算法:不直接修改其所操作的容器内容的算法。
  2. 可变序列算法:可以修改其所操作的容器内容的算法。
  3. 排序算法:包括对序列进行排序和合并的算法、搜索算法以及有序序列上的集合操作。
  4. 数值算法:对容器内容进行数值计算。

学习算法详细使用方法:cplusplus

查找算法

  • adjacent_find: 在迭代器对标识的元素范围内,查找一对相邻重复元素,找到则返回指向这对元素的第一个迭代器,否则返回末尾迭代器。
  • binary_search: 在有序序列中查找值,找到返回true。重载版本使用自定义比较函数对象或函数指针来判断相等。
  • count: 返回与指定值相等的元素个数。
  • count_if: 返回使谓词函数返回true的元素个数。
  • equal_range: 返回一对迭代器,第一个表示第一个大于或等于特定值的元素,第二个表示第一个大于特定值的元素。
  • find: 在指定范围内查找值,返回第一个匹配元素的迭代器。
  • find_end: 在指定范围内查找最后一次出现子序列的位置。
  • find_first_of: 在指定范围内查找另一个序列中任意元素的第一次出现位置。
  • find_if: 返回第一个使谓词函数返回true的元素的迭代器。
  • lower_bound: 返回第一个大于或等于特定值的元素的迭代器。
  • upper_bound: 返回第一个大于特定值的元素的迭代器。
  • search: 在指定范围内查找子序列的第一次出现位置。
  • search_n: 在指定范围内查找连续出现n次的值。

排序和通用算法

  • inplace_merge: 合并两个有序序列。
  • merge: 合并两个有序序列到另一个序列。
  • nth_element: 重新排序使得第n个元素是第n个最小的元素。
  • partial_sort: 对序列做部分排序。
  • partial_sort_copy: 类似于partial_sort,不过结果保存到另一个容器。
  • partition: 对序列进行划分。
  • random_shuffle: 随机排列序列。
  • reverse: 反转序列。
  • reverse_copy: 类似于reverse,不过结果保存到另一个容器。
  • rotate: 循环移动元素。
  • rotate_copy: 类似于rotate,不过结果保存到另一个容器。
  • sort: 对序列排序。
  • stable_sort: 稳定排序。
  • stable_partition: 稳定划分序列。

删除和替换算法

  • copy: 复制序列。
  • copy_backward: 与copy相同,不过元素以相反顺序被拷贝。
  • iter_swap: 交换两个迭代器指向的元素。
  • remove: 删除值相等的元素,不改变容器大小。
  • remove_copy: 将不匹配元素复制到另一个容器。
  • remove_if: 删除满足条件的元素,不改变容器大小。
  • remove_copy_if: 将不匹配元素复制到另一个容器。
  • replace: 替换所有等于特定值的元素。
  • replace_copy: 类似于replace,结果保存到另一个容器。
  • replace_if: 替换满足条件的元素。
  • replace_copy_if: 类似于replace_if,结果保存到另一个容器。
  • swap: 交换两个元素或容器。
  • swap_range: 交换两个范围内的元素。
  • unique: 删除连续的重复元素,不改变容器大小。
  • unique_copy: 类似于unique,结果保存到另一个容器。

排列组合算法

  • next_permutation: 生成下一个排列。
  • prev_permutation: 生成上一个排列。

算术算法

  • accumulate: 计算序列元素的累加值。
  • partial_sum: 计算部分和。
  • inner_product: 计算内积。
  • adjacent_difference: 计算相邻元素的差值。

生成和异变算法

  • fill: 用特定值填充序列。
  • fill_n: 用特定值填充n个元素。
  • for_each: 对每个元素执行操作。
  • generate: 用生成器填充序列。
  • generate_n: 用生成器填充n个元素。
  • transform: 应用操作到每个元素,并生成结果。

关系算法

  • equal: 比较两个序列是否相等。
  • includes: 检查一个序列是否包含另一个序列。
  • lexicographical_compare: 比较两个序列的字典顺序。
  • max: 返回两个元素中的较大者。
  • max_element: 返回最大元素的迭代器。
  • min: 返回两个元素中的较小者。
  • min_element: 返回最小元素的迭代器。
  • mismatch: 找到两个序列不匹配的位置。

集合算法

  • set_union: 计算两个集合的并集。
  • set_intersection: 计算两个集合的交集。
  • set_difference: 计算两个集合的差集。
  • set_symmetric_difference: 计算两个集合的对称差集。

堆算法

  • make_heap: 创建一个堆。
  • pop_heap: 移除堆顶元素。
  • push_heap: 添加一个新元素到堆中。
  • sort_heap: 对堆进行排序。

相关推荐:

《STL源码剖析》 - 作者:侯捷

《C++ Primer》 - 作者:Stanley B. Lippman, Josée Lajoie, Barbara E. Moo

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