【C++】——【 STL简介】——【详细讲解】

小李很执着2024-07-02 10:07

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[1. 什么是STL](#1. 什么是STL)

[2. STL的版本](#2. STL的版本)

[3. STL的六大组件](#3. STL的六大组件)

1.容器(Container)：

2.算法(Algorithm)：

3.迭代器(Iterator)：

4.函数(Function)：

5.适配器(Adapter)：

6.分配器(Allocator)：

[4. STL的重要性](#4. STL的重要性)

[5. 如何学习STL](#5. 如何学习STL)

[6. STL的缺陷](#6. STL的缺陷)

总结

专栏：C++学习笔记

1. 什么是STL

STL（Standard Template Library，标准模板库）是C++标准库的重要组成部分。它不仅是一个可复用的组件库，而且是一个包含数据结构与算法的软件框架。STL为开发者提供了多种高效、灵活且可扩展的模板化工具，使得复杂的程序开发变得更加简单和高效。

代码示例 ：使用STL的vector容器

#include <iostream>
#include <vector>

int main() {
    std::vector<int> numbers = {1, 2, 3, 4, 5};

    for (int num : numbers) {
        std::cout << num << " ";
    }
    std::cout << std::endl;

    return 0;
}

运行结果 ：

小李很执着理解：

  • vector就像一个可以自动扩展的数组，你可以随意添加或删除元素。
  • 在上面的例子中，创建了一个包含数字1到5的vector，并输出这些数字。

2. STL的版本

STL经历了多个版本的发展，不同版本有不同的特点和应用场景：

  • 原始版本：由Alexander Stepanov和Meng Lee在惠普实验室完成的原始版本。这个版本是开源的，允许任何人任意使用、修改和传播。
  • P. J. 版本：由P. J. Plauger开发，继承自HP版本，被Windows Visual C++采用。这一版本不能公开或修改，其缺陷在于可读性较低，符号命名比较怪异。
  • RW版本：由Rouge Wage公司开发，继承自HP版本，被C++ Builder采用，也不能公开或修改，但可读性一般。
  • SGI版本：由Silicon Graphics Computer Systems公司开发，继承自HP版本，被GCC(Linux)采用。这个版本可移植性好，可公开、修改甚至商业使用。从命名风格和编程风格上看，阅读性非常高。

小李很执着理解：

  • 不同版本的STL是由不同的人和公司开发的，有些版本是开源的，有些版本是商业化的。
  • 学习STL时主要参考SGI版本，因为它的可读性和移植性都很好。

3. STL的六大组件

STL由以下六大组件组成：

1.容器(Container)：

用于存储和组织数据的对象，如vector、list、deque、set、map等。

代码示例 ：使用map容器

#include <iostream>
#include <map>

int main() {
    std::map<std::string, int> age;
    age["Alice"] = 30;
    age["Bob"] = 25;

    for (const auto& pair : age) {
        std::cout << pair.first << " is " << pair.second << " years old." << std::endl;
    }

    return 0;
}

运行结果：

小李很执着理解：

map就像一本字典，可以根据"键"（如名字）查找对应的"值"（如年龄）。

在上面的例子中，创建了一个名字和年龄的对应关系，并打印出来。

2.算法(Algorithm)：

用于操作容器中的数据的函数集合，如排序、查找、复制、删除等。

代码示例 ：使用sort算法

#include <iostream>
#include <vector>
#include <algorithm>

int main() {
    std::vector<int> numbers = {4, 2, 5, 1, 3};
    std::sort(numbers.begin(), numbers.end());

    for (int num : numbers) {
        std::cout << num << " ";
    }
    std::cout << std::endl;

    return 0;
}

运行结果 ：

小李很执着理解：

sort算法可以对容器中的元素进行排序。

在上面的例子中，对一个包含随机数字的vector进行了排序，并打印出了排序后的结果。

3.迭代器(Iterator)：

用于在容器中遍历元素的对象，类似于指针。常见的有forward_iterator、bidirectional_iterator、random_access_iterator等。

代码示例 ：使用iterator遍历vector

#include <iostream>
#include <vector>

int main() {
    std::vector<int> numbers = {1, 2, 3, 4, 5};
    std::vector<int>::iterator it;

    for (it = numbers.begin(); it != numbers.end(); ++it) {
        std::cout << *it << " ";
    }
    std::cout << std::endl;

    return 0;
}

运行结果 ：

小李很执着理解：

iterator类似于指针，可以用来遍历容器中的元素。

在上面的例子中，使用iterator遍历了一个vector，并打印出了每个元素。

4.函数(Function)：

STL提供了一些函数对象和仿函数，用于实现自定义的算法行为。

代码示例 ：使用greater仿函数

#include <iostream>
#include <vector>
#include <algorithm>
#include <functional>

int main() {
    std::vector<int> numbers = {4, 2, 5, 1, 3};
    std::sort(numbers.begin(), numbers.end(), std::greater<int>());

    for (int num : numbers) {
        std::cout << num << " ";
    }
    std::cout << std::endl;

    return 0;
}

运行结果 ：

小李很执着理解：

greater是一个仿函数，用来实现降序排序。

在上面的例子中，使用greater仿函数对vector进行了降序排序，并打印出了排序后的结果。

5.适配器(Adapter)：

用于修改容器或仿函数行为的组件，如stack、queue、priority_queue等。

代码示例 ：使用stack适配器

#include <iostream>
#include <stack>

int main() {
    std::stack<int> s;
    s.push(1);
    s.push(2);
    s.push(3);

    while (!s.empty()) {
        std::cout << s.top() << " ";
        s.pop();
    }
    std::cout << std::endl;

    return 0;
}

运行结果 ：

小李很执着理解：

stack是一种先进后出（LIFO）的数据结构，就像叠盘子，最后放的盘子最先拿出来。

在上面的例子中，往stack中添加了三个数字，并按顺序取出了这些数字。

6.分配器(Allocator)：

用于管理内存分配和释放的组件。

代码示例：自定义分配器

#include <iostream>
#include <memory>
#include <vector>

template<typename T>
struct SimpleAllocator {
    typedef T value_type;

    SimpleAllocator() = default;

    template<typename U>
    SimpleAllocator(const SimpleAllocator<U>&) {}

    T* allocate(std::size_t n) {
        return static_cast<T*>(::operator new(n * sizeof(T)));
    }

    void deallocate(T* p, std::size_t) noexcept {
        ::operator delete(p);
    }
};

int main() {
    std::vector<int, SimpleAllocator<int>> vec = {1, 2, 3, 4, 5};

    for (int num : vec) {
        std::cout << num << " ";
    }
    std::cout << std::endl;

    return 0;
}

运行结果 ：

小李很执着理解：

分配器负责管理内存的分配和释放，可以自定义来满足特定需求。

在上面的例子中，实现了一个简单的分配器，并用它来创建一个vector，然后打印出了vector中的元素。

知识点：STL的六大组件各有用途，组合使用可以解决复杂的数据处理问题。

4. STL的重要性

STL在C++开发中占有重要地位，其重要性主要体现在以下几个方面：

在笔试中：STL提供的高效算法和容器常常在编程题中使用，如二叉树层序打印、重建二叉树、用两个栈实现一个队列等。

代码示例：用两个栈实现一个队列

#include <iostream>
#include <stack>

class Queue {
private:
    std::stack<int> stack1, stack2;

public:
    void enqueue(int x) {
        stack1.push(x);
    }

    int dequeue() {
        if (stack2.empty()) {
            while (!stack1.empty()) {
                stack2.push(stack1.top());
                stack1.pop();
            }
        }

        if (stack2.empty()) {
            throw std::out_of_range("Queue is empty");
        }

        int top = stack2.top();
        stack2.pop();
        return top;
    }
};

int main() {
    Queue q;
    q.enqueue(1);
    q.enqueue(2);
    q.enqueue(3);

    std::cout << q.dequeue() << " "; // 输出1
    std::cout << q.dequeue() << " "; // 输出2
    std::cout << q.dequeue() << std::endl; // 输出3

    return 0;
}

运行结果 ：

小李很执着理解：

通过使用两个栈，可以实现一个队列的功能，先进先出（FIFO）。

在上面的例子中，创建了一个队列，往其中添加了三个数字，并按顺序取出了这些数字。

在面试中：掌握STL是衡量C++开发者能力的重要标准之一。面试官常常通过STL相关问题考察候选人的算法能力和代码实现能力。

在工作中：STL使得开发者无需重复实现基础数据结构和算法，可以专注于业务逻辑的实现，大幅提升开发效率和代码质量。

网上有句话说："不懂STL，不要说你会C++"。这句话充分体现了STL在C++开发中的重要性。

5. 如何学习STL

学习STL可以分为三个阶段：能用、明理、能扩展。

能用：首先要掌握STL的基本用法，了解各类容器、算法和迭代器的使用方法，并能够在实际开发中应用。

代码示例 ：使用vector和sort

#include <iostream>
#include <vector>
#include <algorithm>

int main() {
    std::vector<int> numbers = {4, 2, 5, 1, 3};
    std::sort(numbers.begin(), numbers.end());

    for (int num : numbers) {
        std::cout << num << " ";
    }
    std::cout << std::endl;

    return 0;
}

运行结果 ：

小李很执着理解：

学习STL的第一步是能够正确使用它的各种容器和算法。

在上面的例子中，使用了vector和sort，并打印了排序后的结果。

明理：深入理解STL的内部实现原理，了解各组件的设计思想和工作机制，掌握常见问题的解决方法。

知识点 ：例如，了解vector如何管理动态数组的内存，如何在内部实现扩容等。

能扩展：在掌握基础知识的基础上，能够根据具体需求对STL进行扩展或优化，如自定义分配器、实现特定算法等。

代码示例：自定义分配器

#include <iostream>
#include <memory>
#include <vector>

template<typename T>
struct SimpleAllocator {
    typedef T value_type;

    SimpleAllocator() = default;

    template<typename U>
    SimpleAllocator(const SimpleAllocator<U>&) {}

    T* allocate(std::size_t n) {
        return static_cast<T*>(::operator new(n * sizeof(T)));
    }

    void deallocate(T* p, std::size_t) noexcept {
        ::operator delete(p);
    }
};

int main() {
    std::vector<int, SimpleAllocator<int>> vec = {1, 2, 3, 4, 5};

    for (int num : vec) {
        std::cout << num << " ";
    }
    std::cout << std::endl;

    return 0;
}

运行结果 ：

小李很执着理解：

学习STL的高级阶段是能够根据需求进行扩展，比如自定义分配器。

在上面的例子中，实现了一个简单的分配器，并用它来创建一个vector。

知识点 ：学习STL不仅要会用，还要理解其原理，进而能够根据需求进行扩展。

6. STL的缺陷

虽然STL功能强大，但也存在一些缺陷：

更新速度慢：STL库的更新速度较慢。自C++98之后，中间的C++03版本仅做了一些修订，直到C++11才有进一步的更新。

缺乏线程安全：STL目前不支持线程安全。在并发环境下，开发者需要自己加锁，而且锁的粒度较大。

内部复杂：STL极度追求效率，导致内部实现比较复杂，如类型萃取、迭代器萃取等机制。

代码膨胀问题 ：由于模板语法的特性，STL的使用会导致代码膨胀，例如使用vector<vector<vector<int>>>这样的嵌套容器会生成多份代码。

小李很执着理解：

STL虽然强大，但也有一些问题，比如更新慢、不支持线程安全、内部复杂和代码膨胀。

了解这些缺陷可以帮助在使用过程中规避潜在的问题，并根据需求做出合理的取舍和优化。

总结

总结来说，STL是C++开发中不可或缺的重要工具。掌握STL不仅能够大幅提升开发效率和代码质量，还能帮助开发者更深入地理解C++语言的精髓。在学习和使用STL的过程中，虽然会遇到一些挑战和问题，但其带来的便利和效率提升是无可替代的。

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