C++学习笔记(三十六)——STL之排序算法

一、STL 算法

C++的STL(Standard Template Library) 提供了一组高效、通用的算法,这些算法适用于各种容器(如 vectorlistsetmap)。

这些算法主要位于 <algorithm><numeric> 头文件中。

  • 通用性 :适用于所有 STL 容器,如 vectorlistdeque 等。
  • 高效性 :内部使用优化算法(如快速排序 std::sort)。
  • 一致性:所有算法都基于迭代器操作,使其与不同容器兼容。
  • 可组合性 :可结合 lambda 表达式、bindfunction object 使用。

二、STL 算法分类

STL 算法可分为以下几类:

类别 常见算法 作用
排序 sortstable_sortpartial_sortnth_element 排序
搜索 findfind_ifcountcount_ifbinary_search 查找元素
修改 copyreplacereplace_ifswapfill 修改容器内容
删除 removeremove_ifunique 删除元素
归约 for_eachaccumulate 处理数据
合并 mergeset_unionset_intersection 处理有序序列
排列组合 next_permutationprev_permutation 生成排列
堆操作 push_heappop_heapmake_heapsort_heap 处理堆

三、STL 排序算法

STL 提供了一些常用的排序算法,用于对容器中的元素进行排序。

它们位于 <algorithm> 头文件中。

算法名称 功能描述 时间复杂度 空间复杂度 使用场景
sort 对容器元素进行排序(默认升序) O(n log n) O(log n) 适合一般排序,且不关心相等元素顺序
stable_sort 保证相等元素的顺序不变 O(n log n) O(n) 适合需要稳定排序的场景,如多次排序
partial_sort 仅对前 n 个元素排序 O(n log k) O(n) 只需要排序最小的 n 个元素
nth_element 对第 n 小元素进行排序,且两侧有序 O(n) O(1) 寻找第 n 小元素,适合大数据情况
reverse 反转容器元素的顺序 O(n) O(1) 用于反转容器,常与排序结合使用

(1) sort

  • 功能:对容器中的元素进行排序,默认按升序排序。
  • 时间复杂度O(n log n)(平均和最坏情况)。
  • 空间复杂度O(log n)(递归调用栈空间)。

示例:

cpp 复制代码
#include <iostream>
using namespace std;
#include <vector>
#include <algorithm>

int main() {
    vector<int> vec = {5, 2, 8, 3, 1};

    sort(vec.begin(), vec.end());

    for (int i : vec) 
    {
        std::cout << i << " ";  // 输出:1 2 3 5 8
    }
    cout << endl;

    system("pause");
    return 0;
}

注意:

  • sort是最常用的排序算法,排序速度较快,但不能保证相等元素的顺序不变

(2) stable_sort

  • 功能 :与 sort 相似,但保证相等元素的相对顺序不变
  • 时间复杂度O(n log n) (与 sort 相同)。
  • 空间复杂度O(n)(通常需要额外空间用于稳定性保证)。

示例:

cpp 复制代码
#include <iostream>
using namespace std;
#include <vector>
#include <algorithm>

int main() {
    vector<int> vec = { 5, 2, 8, 3, 5 };

    stable_sort(vec.begin(), vec.end());

    for (int i : vec) 
    {
        cout << i << " ";  // 输出:2 3 5 5 8
    }
    cout << endl;

    system("pause");
    return 0;
}

注意:

  • stable_sort适用于需要保留相等元素顺序的场景,如按照多个条件排序时。

(3)partial_sort

  • 功能 :对容器中的前 n 个元素进行排序,使它们排好序,其他元素保持原顺序。
  • 时间复杂度O(n log k) ,其中 n 是需要排序的元素数目,k 容器中的元素总数。
  • 空间复杂度O(n)
  • 说明 :适用于只需要获取最小(或最大)n 个元素的情况。

示例:

cpp 复制代码
#include <iostream>
using namespace std;
#include <vector>
#include <algorithm>

int main() {
    vector<int> vec = { 5, 2, 8, 3, 1 };

    // 排序前3个元素
    partial_sort(vec.begin(), vec.begin() + 3, vec.end());

    for (int i : vec) 
    {
        cout << i << " ";  // 输出:1 2 3 8 5
    }
    cout << endl;

    system("pause");
    return 0;
}

注意:

  • partial_sort适用于只需要获取最小(或最大)n 个元素的情况。

(4)nth_element

  • 功能 :将容器中的元素按照第 n 小元素排列,使得n 小元素的左边小于等于它,右边大于等于它
  • 时间复杂度O(n),即线性时间复杂度。
  • 空间复杂度O(1)

示例:

cpp 复制代码
#include <iostream>
using namespace std;
#include <vector>
#include <algorithm>

int main() {
    vector<int> vec = { 5, 2, 8, 3, 1 };

    // 将第3小的元素放到第3位置,且两侧元素满足排序条件
    nth_element(vec.begin(), vec.begin() + 2, vec.end());

    for (int i : vec) 
    {
        cout << i << " ";  // 输出:1 2 3 5 8
    }
    cout << endl;

    system("pause");
    return 0;
}

注意:

  • nth_element通常用于找到容器中的第 n 小(或大)元素,不需要完全排序。

(5)reverse

  • 功能:反转容器中元素的顺序。
  • 时间复杂度O(n)n 是容器中的元素数目。
  • 空间复杂度O(1),原地操作。

示例:

cpp 复制代码
#include <iostream>
using namespace std;
#include <vector>
#include <algorithm>

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

    // 反转数组
    reverse(vec.begin(), vec.end());

    for (int i : vec) 
    {
        cout << i << " ";  // 输出:5 4 3 2 1
    }
    cout << endl;

    system("pause");
    return 0;
}

注意:

  • reverse用于反转容器中的元素,常用于从降序排序转换为升序排序。
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