学懂C++（四十五 ）：深入详解C++ STL 容器：从基础到进阶

martian6652024-08-28 0:33

目录

[1. 向量（Vector）](#1. 向量（Vector）)

概念

特点

核心点

实现

适用场景

代码解析

[2. 双端队列（Deque）](#2. 双端队列（Deque）)

概念

特点

核心点

实现

适用场景

代码解析

[3. 列表（List）](#3. 列表（List）)

概念

特点

核心点

实现

适用场景

代码解析

[4. 集合（Set）](#4. 集合（Set）)

概念

特点

核心点

实现

适用场景

代码解析

[5. 映射（Map）](#5. 映射（Map）)

概念

特点

核心点

实现

适用场景

代码解析

[6. 无序集合（Unordered Set）](#6. 无序集合（Unordered Set）)

概念

特点

核心点

实现

适用场景

代码解析

[7. 无序映射（Unordered Map）](#7. 无序映射（Unordered Map）)

概念

特点

核心点

实现

适用场景

代码解析

[8. 栈（Stack）](#8. 栈（Stack）)

概念

特点

核心点

实现

适用场景

代码解析

[9. 队列（Queue）](#9. 队列（Queue）)

概念

特点

核心点

实现

适用场景

代码解析

[10. 优先队列（Priority Queue）](#10. 优先队列（Priority Queue）)

概念

特点

核心点

实现

适用场景

代码解析

总结

C++ 标准模板库（STL）是一个非常强大的工具集，提供了一组通用的类和函数，用于数据结构和算法的实现。STL 的核心组件包括容器（Containers）、迭代器（Iterators）和算法（Algorithms）。本文将深入探讨 STL 容器，全面讲解其概念、特点、核心点、实现、适用场景，并通过经典示例代码和详细解析，帮助开发者更好地理解和应用 STL 容器。

1. 向量（Vector）

概念

std::vector 是一个模板类，表示一个可以动态调整大小的数组。它可以高效地在末尾添加和删除元素，提供随机访问功能。

特点

  • 动态大小：可以自动调整大小。
  • 随机访问：支持常数时间的随机访问。
  • 连续内存：存储在连续的内存块中，兼容C风格数组。

核心点

  • 内存管理：使用动态数组管理内存，自动处理内存分配和释放。
  • 扩展策略：当容量不足时，通常会按一定比例（通常是2倍）扩展容量。

实现

cpp 复制代码 
#include <iostream>
#include <vector>

void vectorExample()
{
    std::vector<int> vec;

    // 添加元素
    vec.push_back(1);
    vec.push_back(2);
    vec.push_back(3);

    // 随机访问
    std::cout << "Element at index 1: " << vec[1] << std::endl;

    // 迭代访问
    for(const auto& elem : vec)
    {
        std::cout << elem << " ";
    }
    std::cout << std::endl;
}

适用场景

  • 需要动态调整大小的数组。
  • 需要高效随机访问的场景。

代码解析

  1. push_back：在向量末尾添加元素。
  2. 随机访问 ：使用下标操作符[]访问元素。
  3. 迭代访问：使用范围基于（range-based）for循环迭代访问元素。

2. 双端队列（Deque）

概念

std::deque 是一个双端队列，支持在两端高效地添加和删除元素。

特点

  • 双端操作：在两端添加和删除元素都很高效。
  • 随机访问：支持常数时间的随机访问。
  • 分段存储：内部实现为一组连续的内存块，提高内存管理效率。

核心点

  • 双端操作 ：push_front 和 push_back 方法用于在两端添加元素。
  • 内存管理：使用分段存储来优化内存管理。

实现

cpp 复制代码 
#include <iostream>
#include <deque>

void dequeExample()
{
    std::deque<int> deq;

    // 在两端添加元素
    deq.push_back(1);
    deq.push_back(2);
    deq.push_front(0);

    // 随机访问
    std::cout << "Element at index 1: " << deq[1] << std::endl;

    // 迭代访问
    for(const auto& elem : deq)
    {
        std::cout << elem << " ";
    }
    std::cout << std::endl;
}

适用场景

  • 需要在两端频繁添加和删除元素的场景。
  • 需要高效随机访问的场景。

代码解析

  1. push_front：在队列前端添加元素。
  2. push_back：在队列末尾添加元素。
  3. 随机访问 ：使用下标操作符[]访问元素。

3. 列表（List）

概念

std::list 是一个双向链表，支持在任意位置高效地插入和删除元素。

特点

  • 双向链表：每个元素包含指向前后元素的指针。
  • 高效插入和删除：在链表的任意位置插入和删除元素都很高效。
  • 顺序访问：不支持随机访问，只能顺序访问。

核心点

  • 链表结构：使用双向链表实现，保证高效的插入和删除操作。
  • 迭代器：提供双向迭代器，支持前向和后向遍历。

实现

cpp 复制代码 
#include <iostream>
#include <list>

void listExample()
{
    std::list<int> lst;

    // 添加元素
    lst.push_back(1);
    lst.push_back(2);
    lst.push_front(0);

    // 迭代访问
    for(const auto& elem : lst)
    {
        std::cout << elem << " ";
    }
    std::cout << std::endl;

    // 插入和删除元素
    auto it = lst.begin();
    ++it;
    lst.insert(it, 10);
    lst.erase(it);
}

适用场景

  • 需要在任意位置频繁插入和删除元素的场景。
  • 需要顺序访问的场景。

代码解析

  1. push_front：在链表前端添加元素。
  2. push_back：在链表末尾添加元素。
  3. insert和erase：在链表的任意位置插入和删除元素。
  4. 迭代访问：使用范围基于（range-based）for循环迭代访问元素。

4. 集合（Set）

概念

std::set 是一个有序集合，存储唯一的元素并自动对元素进行排序。

特点

  • 有序：元素自动排序。
  • 唯一性：集合中的元素是唯一的。
  • 高效查找：支持对元素的高效查找。

核心点

  • 有序集合：使用红黑树实现，保证元素的有序性和查找效率。
  • 唯一性：自动去重，保证元素的唯一性。

实现

cpp 复制代码 
#include <iostream>
#include <set>

void setExample()
{
    std::set<int> s;

    // 添加元素
    s.insert(3);
    s.insert(1);
    s.insert(2);
    s.insert(2); // 重复元素插入无效

    // 迭代访问
    for(const auto& elem : s)
    {
        std::cout << elem << " ";
    }
    std::cout << std::endl;

    // 查找元素
    auto it = s.find(2);
    if(it != s.end())
    {
        std::cout << "Element found: " << *it << std::endl;
    }
    else
    {
        std::cout << "Element not found" << std::endl;
    }
}

适用场景

  • 需要存储唯一且有序的元素集合。
  • 需要高效查找元素的场景。

代码解析

  1. insert：在集合中添加元素，自动去重。
  2. find：在集合中查找元素。
  3. 迭代访问：使用范围基于（range-based）for循环迭代访问元素。

5. 映射（Map）

概念

std::map 是一个有序映射，存储键值对，并根据键对元素进行排序。

特点

  • 有序：键值对自动排序。
  • 键唯一：每个键在映射中是唯一的。
  • 高效查找：支持对键的高效查找。

核心点

  • 有序映射：使用红黑树实现，保证键值对的有序性和查找效率。
  • 唯一键：自动去重，保证键的唯一性。

实现

cpp 复制代码 
#include <iostream>
#include <map>

void mapExample()
{
    std::map<int, std::string> m;

    // 添加键值对
    m[1] = "one";
    m[2] = "two";
    m[3] = "three";

    // 迭代访问
    for(const auto& pair : m)
    {
        std::cout << pair.first << ": " << pair.second << std::endl;
    }

    // 查找键值对
    auto it = m.find(2);
    if(it != m.end())
    {
        std::cout << "Element found: " << it->first << ": " << it->second << std::endl;
    }
    else
    {
        std::cout << "Element not found" << std::endl;
    }
}

适用场景

  • 需要存储键值对并根据键进行排序的场景。
  • 需要高效查找键的场景。

代码解析

  1. operator[]：在映射中添加或访问键值对。
  2. find：在映射中查找键。
  3. 迭代访问：使用范围基于（range-based）for循环迭代访问键值对。

6. 无序集合（Unordered Set）

概念

std::unordered_set 是一个无序集合，存储唯一的元素并使用哈希表进行管理。

特点

  • 无序：元素没有特定顺序。
  • 唯一性：集合中的元素是唯一的。
  • 高效查找：使用哈希表实现，对元素进行高效查找。

核心点

  • 无序集合：使用哈希表实现，保证元素的唯一性和查找效率。
  • 唯一性：自动去重，保证元素的唯一性。

实现

cpp 复制代码 
#include <iostream>
#include <unordered_set>

void unorderedSetExample()
{
    std::unordered_set<int> us;

    // 添加元素
    us.insert(3);
    us.insert(1);
    us.insert(2);
    us.insert(2); // 重复元素插入无效

    // 迭代访问
    for(const auto& elem : us)
    {
        std::cout << elem << " ";
    }
    std::cout << std::endl;

    // 查找元素
    auto it = us.find(2);
    if(it != us.end())
    {
        std::cout << "Element found: " << *it << std::endl;
    }
    else
    {
        std::cout << "Element not found" << std::endl;
    }
}

适用场景

  • 需要存储唯一且无序的元素集合。
  • 需要高效查找元素的场景。

代码解析

  1. insert：在集合中添加元素，自动去重。
  2. find：在集合中查找元素。
  3. 迭代访问：使用范围基于（range-based）for循环迭代访问元素。

7. 无序映射（Unordered Map）

概念

std::unordered_map 是一个无序映射，存储键值对，并使用哈希表进行管理。

特点

  • 无序：键值对没有特定顺序。
  • 键唯一：每个键在映射中是唯一的。
  • 高效查找：使用哈希表实现，对键进行高效查找。

核心点

  • 无序映射：使用哈希表实现，保证键的唯一性和查找效率。
  • 唯一键：自动去重，保证键的唯一性。

实现

cpp 复制代码 
#include <iostream>
#include <unordered_map>

void unorderedMapExample()
{
    std::unordered_map<int, std::string> um;

    // 添加键值对
    um[1] = "one";
    um[2] = "two";
    um[3] = "three";

    // 迭代访问
    for(const auto& pair : um)
    {
        std::cout << pair.first << ": " << pair.second << std::endl;
    }

    // 查找键值对
    auto it = um.find(2);
    if(it != um.end())
    {
        std::cout << "Element found: " << it->first << ": " << it->second << std::endl;
    }
    else
    {
        std::cout << "Element not found" << std::endl;
    }
}

适用场景

  • 需要存储键值对并使用哈希表进行管理的场景。
  • 需要高效查找键的场景。

代码解析

  1. operator[]：在映射中添加或访问键值对。
  2. find：在映射中查找键。
  3. 迭代访问：使用范围基于（range-based）for循环迭代访问键值对。

8. 栈（Stack）

概念

std::stack 是一个适配器容器，提供后进先出（LIFO）的数据结构。

特点

  • LIFO：后进先出顺序。
  • 适配器容器 ：通常基于 std::deque 或 std::vector 实现。

核心点

  • LIFO 数据结构 ：提供 push、pop 和 top 方法。
  • 适配器模式：基于其他容器实现。

实现

cpp 复制代码 
#include <iostream>
#include <stack>

void stackExample()
{
    std::stack<int> st;

    // 添加元素
    st.push(1);
    st.push(2);
    st.push(3);

    // 访问栈顶元素
    std::cout << "Top element: " << st.top() << std::endl;

    // 移除栈顶元素
    st.pop();
    std::cout << "Top element after pop: " << st.top() << std::endl;
}

适用场景

  • 需要后进先出（LIFO）数据结构的场景，如递归调用、表达式求值等。

代码解析

  1. push：在栈顶添加元素。
  2. pop：移除栈顶元素。
  3. top：访问栈顶元素。

9. 队列（Queue）

概念

std::queue 是一个适配器容器，提供先进先出（FIFO）的数据结构。

特点

  • FIFO：先进先出顺序。
  • 适配器容器 ：通常基于 std::deque 实现。

核心点

  • FIFO 数据结构 ：提供 push、pop 和 front 方法。
  • 适配器模式：基于其他容器实现。

实现

cpp 复制代码 
#include <iostream>
#include <queue>

void queueExample()
{
    std::queue<int> q;

    // 添加元素
    q.push(1);
    q.push(2);
    q.push(3);

    // 访问队首元素
    std::cout << "Front element: " << q.front() << std::endl;

    // 移除队首元素
    q.pop();
    std::cout << "Front element after pop: " << q.front() << std::endl;
}

适用场景

  • 需要先进先出（FIFO）数据结构的场景，如任务调度、消息队列等。

代码解析

  1. push：在队列末尾添加元素。
  2. pop：移除队首元素。
  3. front：访问队首元素。

10. 优先队列（Priority Queue）

概念

std::priority_queue 是一个适配器容器，提供按优先级排序的队列。

特点

  • 优先级排序：元素按照优先级排序。
  • 适配器容器 ：通常基于 std::vector 和堆算法实现。

核心点

  • 优先级数据结构 ：提供 push、pop 和 top 方法。
  • 适配器模式：基于其他容器和算法实现。

实现

cpp 复制代码 
#include <iostream>
#include <queue>
#include <vector>

void priorityQueueExample()
{
    std::priority_queue<int, std::vector<int>> pq;

    // 添加元素
    pq.push(1);
    pq.push(3);
    pq.push(2);

    // 访问最高优先级元素
    std::cout << "Top element: " << pq.top() << std::endl;

    // 移除最高优先级元素
    pq.pop();
    std::cout << "Top element after pop: " << pq.top() << std::endl;
}

适用场景

  • 需要按优先级处理元素的场景，如任务调度、A*算法等。

代码解析

  1. push：在优先队列中添加元素。
  2. pop：移除最高优先级元素。
  3. top：访问最高优先级元素。

总结

本文详细介绍了 C++ STL 各种常用容器，包括向量（Vector）、双端队列（Deque）、列表（List）、集合（Set）、映射（Map）、无序集合（Unordered Set）、无序映射（Unordered Map）、栈（Stack）、队列（Queue）和优先队列（Priority Queue）。每种容器的概念、特点、核心点、实现方法、适用场景以及经典示例代码和详细解析都进行了深入讲解。

通过对这些容器的学习和应用，开发者可以更好地应对软件开发中的复杂问题，提高代码的质量和开发效率，充分发挥

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