C++标准模板库STL介绍

CoderIsArt2024-06-24 11:14
  • STL的六大组成部分

STL（Standard Template Library）是 C++ 标准库中的一个重要组成部分，提供了丰富的通用数据结构和算法，使得 C++ 编程变得更加高效和方便。STL 包括了 6 大类组件，分别是算法（Algorithm）、容器（Container）、空间分配器（Allocator）、迭代器（Iterator）、函数对象（Functor）、适配器（Adapter），下面对每个组件进行详细介绍：

  1. 算法（Algorithm）：

    STL 中的算法包括了大量的通用算法，如排序、查找、遍历等，可以对容器中的元素进行各种操作和处理。常见的算法包括 sort、find、for_each 等。

  2. 容器（Container）：

    STL 提供了多种容器类，用于存储和管理数据。常见的容器包括 vector、list、deque、set、map 等，每种容器都有自己独特的特性和适用场景。

  3. 空间分配器（Allocator）：

    STL 中的空间分配器用于管理内存分配和释放，可以自定义空间分配策略，为容器提供灵活的内存管理能力。

  4. 迭代器（Iterator）：

    迭代器是 STL 中用于遍历容器元素的通用接口，提供了统一的遍历方式，使得算法和容器之间的解耦更加灵活和高效。

  5. 函数对象（Functor）：

    函数对象是可调用对象，即可以像函数一样被调用。STL 中的函数对象可以作为算法的参数，用于自定义比较、操作等功能。

  6. 适配器（Adapter）：

    适配器用于调整容器或迭代器的接口，使得它们能够适配不同的需求。常见的适配器包括 stack、queue、priority_queue 等。

通过合理使用 STL 中的各种组件，可以极大地提高 C++ 编程的效率和质量，减少重复劳动并提升代码的可维护性。熟练掌握 STL 的使用方法对于 C++ 程序员来说是非常重要的。

  • 算法案例

STL（Standard Template Library）中的算法模块提供了丰富的通用算法，包括排序、查找、复制、转换等等，用于对容器中的元素进行各种操作和处理。这些算法能够极大地提高 C++ 编程的效率和灵活性。下面我将详细介绍几种常用的算法，并结合代码实例展示它们的用法：

1. 排序算法（sort）：

  • std::sort 算法用于对容器中的元素进行排序，默认是按升序排列。
cpp 复制代码 
#include <iostream>
#include <vector>
#include <algorithm>

int main() {
    std::vector<int> vec = {5, 2, 8, 1, 6};
    
    std::sort(vec.begin(), vec.end());
    
    for (int num : vec) {
        std::cout << num << " ";
    }
    
    return 0;
}

2. 查找算法（find）：

  • std::find 算法用于在容器中查找指定元素，并返回第一个匹配元素的迭代器。
cpp 复制代码 
#include <iostream>
#include <vector>
#include <algorithm>

int main() {
    std::vector<int> vec = {5, 2, 8, 1, 6};
    
    auto it = std::find(vec.begin(), vec.end(), 8);
    
    if (it != vec.end()) {
        std::cout << "Element found at position: " << std::distance(vec.begin(), it) << std::endl;
    } else {
        std::cout << "Element not found" << std::endl;
    }
    
    return 0;
}

3. 复制算法（copy）：

  • std::copy 算法用于将一个容器中的元素复制到另一个容器中。
cpp 复制代码 
#include <iostream>
#include <vector>
#include <algorithm>

int main() {
    std::vector<int> source = {5, 2, 8, 1, 6};
    std::vector<int> dest(source.size());
    
    std::copy(source.begin(), source.end(), dest.begin());
    
    for (int num : dest) {
        std::cout << num << " ";
    }
    
    return 0;
}

4. 转换算法（transform）：

  • std::transform 算法用于对容器中的元素进行转换操作，可以根据指定的操作函数将元素转换为另一种形式。
cpp 复制代码 
#include <iostream>
#include <vector>
#include <algorithm>

int main() {
    std::vector<int> vec = {5, 2, 8, 1, 6};
    std::vector<int> result(vec.size());
    
    std::transform(vec.begin(), vec.end(), result.begin(), [](int n) { return n * 2; });
    
    for (int num : result) {
        std::cout << num << " ";
    }
    
    return 0;
}

以上代码示例演示了 STL 中几种常用算法的用法，包括排序、查找、复制和转换等。这些算法能够极大地提高 C++ 编程的效率，使得对容器中元素的操作更加方便和灵活。开发者可以根据具体需求灵活运用这些算法，提高代码的可读性和可维护性。

  • STL常见容器与用法

下面是关于 STL 中常见容器（vector、list、deque、set、map）的代码实例，展示了它们的基本用法和操作：

1. vector（向量）：

  • vector 是一个动态数组，支持随机访问和动态增删元素。
cpp 复制代码 
#include <iostream>
#include <vector>

int main() {
    std::vector<int> vec = {1, 2, 3, 4, 5};
    
    vec.push_back(6); // 在末尾添加元素
    vec.pop_back();   // 删除末尾元素
    
    for (int num : vec) {
        std::cout << num << " ";
    }
    
    return 0;
}

2. list（链表）：

  • list 是一个双向链表，支持快速插入和删除操作。
cpp 复制代码 
#include <iostream>
#include <list>

int main() {
    std::list<int> myList = {1, 2, 3, 4, 5};
    
    myList.push_front(0); // 在头部插入元素
    myList.pop_back();    // 删除尾部元素
    
    for (int num : myList) {
        std::cout << num << " ";
    }
    
    return 0;
}

3. deque（双端队列）：

  • deque 是一个双端队列，支持在两端进行快速插入和删除操作。
cpp 复制代码 
#include <iostream>
#include <deque>

int main() {
    std::deque<int> myDeque = {1, 2, 3, 4, 5};
    
    myDeque.push_front(0); // 在头部插入元素
    myDeque.pop_back();    // 删除尾部元素
    
    for (int num : myDeque) {
        std::cout << num << " ";
    }
    
    return 0;
}

4. set（集合）：

  • set 是一个有序且不重复的集合，支持快速查找和插入操作。
cpp 复制代码 
#include <iostream>
#include <set>

int main() {
    std::set<int> mySet = {5, 2, 7, 3, 1};
    
    mySet.insert(6); // 插入元素
    mySet.erase(2);  // 删除元素
    
    for (int num : mySet) {
        std::cout << num << " ";
    }
    
    return 0;
}

5. map（映射）：

  • map 是一个键值对映射的容器，支持根据键快速查找对应的值。
cpp 复制代码 
#include <iostream>
#include <map>

int main() {
    std::map<std::string, int> myMap = {{"apple", 5}, {"banana", 3}, {"orange", 7}};
    
    myMap["pear"] = 4;  // 插入键值对
    myMap.erase("banana"); // 删除键值对
    
    for (auto& pair : myMap) {
        std::cout << pair.first << ": " << pair.second << std::endl;
    }
    
    return 0;
}

以上代码示例展示了 STL 中常见容器（vector、list、deque、set、map）的基本用法和操作。这些容器在不同场景下有着各自的特点和适用性，可以根据需求选择合适的容器来存储和管理数据，提高代码的效率和可维护性。

  • STL的空间分配器

STL 的空间分配器（Allocator）是用于管理内存分配和释放的机制，它在 STL 容器和算法中起着重要的作用。空间分配器的主要原理是将内存分配和释放的操作抽象出来，使得容器可以独立于具体的内存管理方式。空间分配器的设计可以使得容器更加灵活，可以针对不同的需求选择不同的内存管理策略。

空间分配器的主要功能包括两个方面：

  1. 内存分配（allocation）：在需要动态分配内存时，空间分配器负责向系统请求合适大小的内存块，并返回给容器或算法使用。
  2. 内存释放（deallocation）：在不再需要使用内存时，空间分配器负责将内存块返回给系统，以便系统可以重新利用这些内存空间。

空间分配器的设计可以根据具体需求进行优化，比如可以实现自定义的内存池管理策略，提高内存分配的效率，避免频繁的系统调用。

下面是一个简单的示例代码，展示了如何使用 STL 的空间分配器进行内存分配和释放操作：

cpp 复制代码 
#include <iostream>
#include <vector>
#include <memory> // 包含了 STL 的默认空间分配器

int main() {
    // 使用 STL 的默认空间分配器进行内存分配
    std::allocator<int> alloc;
    
    // 在堆上分配存储 5 个 int 类型的内存空间
    int* ptr = alloc.allocate(5);
    
    // 初始化分配的内存空间
    for (int i = 0; i < 5; ++i) {
        alloc.construct(ptr + i, i+1);
    }
    
    // 打印分配的内存空间中的值
    for (int i = 0; i < 5; ++i) {
        std::cout << ptr[i] << " ";
    }
    std::cout << std::endl;
    
    // 释放内存空间
    for (int i = 0; i < 5; ++i) {
        alloc.destroy(ptr + i);
    }
    alloc.deallocate(ptr, 5);
    
    return 0;
}

在STL的空间分配器中，construct和destroy是用来构造和销毁对象的方法，它们与内存的分配和释放息息相关。

  1. construct方法 ：
    • construct 方法用于在已分配的内存空间中构造对象。当我们通过空间分配器分配了一块内存空间后，如果需要在这块内存上构造对象（例如调用对象的构造函数），就可以使用construct方法。
    • construct方法的用法是：alloc.construct(pointer, args...)，其中alloc是空间分配器对象，pointer是指向要构造对象的内存地址的指针，args...是传递给对象构造函数的参数。
  2. destroy方法 ：
    • destroy 方法用于销毁对象，即调用对象的析构函数并释放对象占用的资源。在释放由空间分配器分配的内存之前，需要先销毁内存中的对象，避免内存泄漏。
    • destroy方法的用法是：alloc.destroy(pointer)，其中alloc是空间分配器对象，pointer是指向要销毁的对象的指针。

这两个方法通常与allocate（分配内存）和deallocate（释放内存）方法配合使用，确保在分配的内存空间上正确构造对象并在释放内存之前销毁。

  • STL迭代器

STL（Standard Template Library）中的迭代器（Iterator）是用来遍历和操作容器中元素的工具，是一种抽象化的概念，提供了统一的访问接口，使得算法可以独立于容器进行操作。STL 中有多种迭代器种类，每种迭代器都有不同的特点和适用场景。下面我将详细介绍几种常见的迭代器种类，并通过代码演示它们的使用：

1. 输入迭代器（Input Iterator）：

  • 输入迭代器用于从容器中读取元素，但只能单向移动，不支持写操作。
cpp 复制代码 
#include <iostream>
#include <vector>
#include <iterator>

int main() {
    std::vector<int> vec = {1, 2, 3, 4, 5};
    
    std::vector<int>::iterator it = vec.begin();
    std::istream_iterator<int> input_it(std::cin);
    
    // 通过输入迭代器遍历容器并输出元素
    while (it != vec.end() && input_it != std::istream_iterator<int>()) {
        std::cout << *it << " ";
        ++it;
        ++input_it;
    }
    
    return 0;
}

2. 输出迭代器（Output Iterator）：

  • 输出迭代器用于向容器中写入元素，但只能单向移动，不支持读操作。
cpp 复制代码 
#include <iostream>
#include <vector>
#include <iterator>

int main() {
    std::vector<int> vec;
    
    std::ostream_iterator<int> output_it(std::cout, " ");
    
    // 通过输出迭代器向容器中写入元素
    for (int i = 1; i <= 5; ++i) {
        *output_it = i;
    }
    
    return 0;
}

3. 前向迭代器（Forward Iterator）：

  • 前向迭代器支持单向遍历和修改容器内容，可以多次遍历容器中的元素。
cpp 复制代码 
#include <iostream>
#include <forward_list>

int main() {
    std::forward_list<int> myList = {1, 2, 3, 4, 5};
    
    for (auto it = myList.begin(); it != myList.end(); ++it) {
        std::cout << *it << " ";
    }
    
    return 0;
}

4. 双向迭代器（Bidirectional Iterator）：

  • 双向迭代器支持双向遍历和修改容器内容，可以向前或向后移动迭代器。
cpp 复制代码 
#include <iostream>
#include <list>

int main() {
    std::list<int> myList = {1, 2, 3, 4, 5};
    
    for (auto it = myList.rbegin(); it != myList.rend(); ++it) {
        std::cout << *it << " ";
    }
    
    return 0;
}

以上代码示例演示了几种常见的迭代器种类（输入迭代器、输出迭代器、前向迭代器、双向迭代器）的使用方法。不同种类的迭代器具有不同的功能和特点，开发者可以根据具体需求选择合适的迭代器来遍历和操作容器中的元素，提高代码的灵活性和可维护性。

  • 函数对象

函数对象（Functor）是一种重载了函数调用运算符 () 的类对象，可以像函数一样被调用。函数对象可以在 STL 算法中作为参数传递，用于自定义排序、查找、转换等操作。下面详细介绍几种函数对象的定义和用法：

1. 函数对象类：

  • 最常见的函数对象是重载了 operator() 的类对象。通过定义一个类并重载 operator()，可以实现自定义的函数功能。
cpp 复制代码 
#include <iostream>

// 函数对象类
class AddFunctor {
public:
    int operator()(int a, int b) {
        return a + b;
    }
};

int main() {
    AddFunctor add;
    std::cout << add(3, 5) << std::endl; // 调用函数对象
    return 0;
}

2. Lambda 表达式：

  • Lambda 表达式是一种匿名函数，可以方便地定义并使用函数对象，通常用于简单的函数功能。
cpp 复制代码 
#include <iostream>

int main() {
    auto add = [](int a, int b) { return a + b; };
    std::cout << add(3, 5) << std::endl; // 调用 Lambda 表达式
    return 0;
}

3. 标准函数对象：

  • STL 提供了一些内置的函数对象，如 std::plus、std::minus、std::greater 等，用于实现常见的函数功能。
cpp 复制代码 
#include <iostream>
#include <functional>

int main() {
    std::plus<int> add;
    std::cout << add(3, 5) << std::endl; // 使用标准函数对象
    return 0;
}

4. 适配器函数对象：

  • 适配器函数对象用于修改或适配其他函数对象的行为，如 std::not1、std::bind1st 等。
cpp 复制代码 
#include <iostream>
#include <functional>

int main() {
    std::not1<std::greater<int>> not_greater;
    std::cout << not_greater(3, 5) << std::endl; // 适配器函数对象
    return 0;
}

通过以上几种方式定义函数对象，我们可以实现不同的功能和行为，并在 STL 算法中灵活应用。函数对象提供了一种将数据和操作捆绑在一起的方式，使得代码更加清晰和模块化。在实际开发中，根据具体需求选择合适的函数对象定义方式，可以提高代码的可读性和灵活性。

  • 适配器

STL（Standard Template Library）提供了多种适配器（Adapter），用于修改或扩展容器、迭代器和函数对象的行为，以满足不同的需求。适配器是一种设计模式，可以在不改变原有组件接口的情况下，增加新的功能或修改原有功能。下面详细介绍几种常见的 STL 适配器及其用法：

1. 迭代器适配器：

  • 迭代器适配器用于修改迭代器的行为或范围，包括插入迭代器、反向迭代器、流迭代器等。
cpp 复制代码 
#include <iostream>
#include <vector>
#include <algorithm>
#include <iterator>

int main() {
    std::vector<int> vec = {1, 2, 3, 4, 5};
    
    // 插入迭代器，用于在容器中插入元素
    std::back_insert_iterator<std::vector<int>> back_it(vec);
    *back_it = 6;
    
    // 反向迭代器，用于逆序遍历容器
    std::copy(vec.rbegin(), vec.rend(), std::ostream_iterator<int>(std::cout, " "));
    
    return 0;
}

2. 容器适配器：

  • 容器适配器用于修改容器的行为或接口，包括栈（stack）、队列（queue）、优先队列（priority_queue）等。
cpp 复制代码 
#include <iostream>
#include <stack>

int main() {
    std::stack<int> myStack;
    
    myStack.push(1);
    myStack.push(2);
    myStack.push(3);
    
    while (!myStack.empty()) {
        std::cout << myStack.top() << " ";
        myStack.pop();
    }
    
    return 0;
}

3. 函数适配器：

  • 函数适配器用于修改函数对象的行为或参数，包括绑定器（binder）、否定器（negator）等。
cpp 复制代码 
#include <iostream>
#include <functional>

int main() {
    std::multiplies<int> mult;
    std::cout << mult(3, 4) << std::endl; // 乘法函数对象
    
    std::negate<int> neg;
    std::cout << neg(5) << std::endl; // 取反函数对象
    
    return 0;
}
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