《C++ STL 基础入门》教案

子豪-中国机器人2025-10-20 19:51

一、教学目标

  1. 了解 STL 中 5 种常用容器（vector、string、queue、stack）和 sort 算法的基本功能
  2. 掌握各容器的核心操作（添加、访问、删除元素）
  3. 能通过生活场景理解容器特性（如队列 "先进先出"、栈 "后进先出"）
  4. 会用简单代码实现容器的基本功能

二、重点与难点

重点

  1. 各容器的特性：
    • vector：动态数组，可随机访问（像 "自动变大的书包"）
    • string：字符串容器，支持拼接和长度计算（像 "装文字的盒子"）
    • queue：队列，先进先出（像 "排队打饭"）
    • stack：栈，后进先出（像 "叠书"）
    • sort：排序算法，默认从小到大排序（像 "按身高排队"）
  2. 核心操作函数：
    • vector：push_back()（添加）、size()（长度）、[i]（访问）
    • string：+（拼接）、size()（长度）
    • queue：push()（入队）、front()（队头）、pop()（出队）、empty()（判空）
    • stack：push()（入栈）、top()（栈顶）、pop()（出栈）、empty()（判空）
    • sort：sort(开始, 结束)（排序）

难点

  1. 队列与栈的区别（先进先出 vs 后进先出）
  2. 容器操作的顺序（如 queue 不能直接访问中间元素，只能从队头取）
  3. sort 算法的参数（begin()和end()的含义）

三、例题讲解（见原示例代码）

一、vector（动态数组：像 "可以自动变大的书包"）

功能 ：存放一系列相同类型的东西，不够装时会自动扩容。例子：用 vector 存几个小朋友的年龄，然后输出。

cpp

运行

复制代码 
#include <iostream>
#include <vector> // 包含 vector 头文件
using namespace std;

int main() {
    // 定义一个"装整数的书包"，名叫 ages
    vector<int> ages;

    // 往书包里放东西（年龄）
    ages.push_back(8);   // 放 8 岁
    ages.push_back(9);   // 放 9 岁
    ages.push_back(7);   // 放 7 岁

    // 看看书包里有多少东西
    cout << "共有 " << ages.size() << " 个年龄：" << endl;

    // 把书包里的东西一个个拿出来看
    for (int i = 0; i < ages.size(); i++) {
        cout << "第" << i+1 << "个：" << ages[i] << "岁" << endl;
    }

    return 0;
}
cpp 复制代码 
#include <iostream>
#include <vector> // 包含 vector 头文件
using namespace std;

int main() {
    // 定义一个"装整数的书包"，名叫 仔仔包
    vector<string> book;

    // 往书包里书本
    book.push_back("数学");   // 放 8 岁


    // 看看书包里有多少东西
    cout << "共有 " << book.size() << " 本书：" << endl;

    return 0;
}

输出：

plaintext

复制代码 
共有 3 个年龄：
第1个：8岁
第2个：9岁
第3个：7岁

二、string（字符串：像 "装文字的盒子"）

功能 ：存放一串字符（文字），可以直接拼接、比较。例子：用 string 存名字，拼接成一句话。

cpp

运行

复制代码 
#include <iostream>
#include <string> // 包含 string 头文件
using namespace std;

int main() {
    // 定义两个装文字的盒子
    string name1 = "小明";
    string name2 = "小红";

    // 把两个盒子的文字拼起来
    string sentence = name1 + "和" + name2 + "是好朋友";

    // 输出结果
    cout << sentence << endl;

    // 还能看文字的长度（有几个字）
    cout << name1 << "有" << name1.size() << "个字" << endl;

    return 0;
}

输出：

plaintext

复制代码 
小明和小红是好朋友
小明有2个字

三、queue（队列：像 "排队打饭"，先进先出）

功能 ：只能从后面加东西，从前面拿东西（先到先得）。例子：模拟小朋友排队买冰淇淋。

cpp

运行

复制代码 
#include <iostream>
#include <queue> // 包含 queue 头文件
using namespace std;

int main() {
    // 定义一个"队伍"，装小朋友的名字
    queue<string> q;

    // 小朋友来排队（从队尾加入）
    q.push("小刚");
    q.push("小丽");
    q.push("小芳");

    cout << "排队顺序：" << endl;
    // 直到队伍空了为止
    while (!q.empty()) { // empty() 检查队伍是否空了
        // 第一个人买完走了（从队头拿走）
        cout << q.front() << "买到冰淇淋啦！" << endl; // front() 看队头
        q.pop(); // 移除队头的人
    }

    return 0;
}

输出：

plaintext

复制代码 
排队顺序：
小刚买到冰淇淋啦！
小丽买到冰淇淋啦！
小芳买到冰淇淋啦！

四、stack（栈：像 "叠书"，后进先出）

功能 ：只能从上面放东西，从上面拿东西（最后放的先拿）。例子：模拟叠书和取书。

cpp

运行

复制代码 
#include <iostream>
#include <stack> // 包含 stack 头文件
using namespace std;

int main() {
    // 定义一个"书堆"
    stack<string> books;

    // 往书堆上放书
    books.push("语文书");
    books.push("数学书");
    books.push("英语书"); // 最后放的在最上面

    cout << "取书顺序：" << endl;
    // 直到书堆空了为止
    while (!books.empty()) {
        // 拿走最上面的书
        cout << "拿到了：" << books.top() << endl; // top() 看最上面
        books.pop(); // 移除最上面的书
    }

    return 0;
}

输出：

plaintext

复制代码 
取书顺序：
拿到了：英语书
拿到了：数学书
拿到了：语文书

五、sort 算法（排序：像 "按身高排队"）

功能 ：把一串数字或文字按顺序排好（从小到大）。例子：给几个数字排序。

cpp

运行

复制代码 
#include <iostream>
#include <vector>
#include <algorithm> // 包含 sort 头文件
using namespace std;

int main() {
    // 定义一个装数字的数组
    vector<int> nums = {5, 2, 7, 1, 3};

    cout << "排序前：";
    for (int n : nums) { // 简化的循环写法（遍历每个元素）
        cout << n << " ";
    }

    // 排序（自动从小到大）
    sort(nums.begin(), nums.end());

    cout << "\n排序后：";
    for (int n : nums) {
        cout << n << " ";
    }

    return 0;
}

输出：

plaintext

复制代码 
排序前：5 2 7 1 3 
排序后：1 2 3 5 7

通过生活场景类比 + 代码演示，讲解 vector、string、queue、stack 的用法和 sort 算法的应用。

四、练习题

一、填空题（10 道）

  1. 在 C++ 中，使用 vector 需要包含的头文件是_______。答案：<vector>解析：STL 容器需要包含对应的头文件，vector 的头文件是<vector>。

  2. 向 vector 中添加元素的函数是_______。答案：push_back()解析：push_back(值)用于在 vector 末尾添加元素，类似 "往书包里放东西"。

  3. 要获取 string 的长度，应使用_______函数。答案：size()解析：string变量.size()返回字符串的长度（字符个数）。

  4. 队列（queue）中，获取队头元素的函数是_______。答案：front()解析：queue 是 "排队" 结构，front()用于查看队伍最前面的元素。

  5. 栈（stack）中，移除栈顶元素的函数是_______。答案：pop()解析：pop()用于删除栈顶元素（最上面的元素），注意该函数没有返回值。

  6. 若要使用 sort 算法，需要包含的头文件是_______。答案：<algorithm>解析：sort 是 STL 算法，定义在<algorithm>头文件中。

  7. 对于 vector<int> nums，排序时需调用的函数是_______。答案：sort(nums.begin(), nums.end())解析：begin()表示容器的起始位置，end()表示结束位置，sort 会对这个范围内的元素排序。

  8. 队列的特性是_______（填 "先进先出" 或 "后进先出"）。答案：先进先出解析：队列类似排队，先到的人先处理，即 "先进先出"。

  9. 栈的特性是_______（填 "先进先出" 或 "后进先出"）。答案：后进先出解析：栈类似叠书，最后放的书在最上面，先被拿走，即 "后进先出"。

  10. 执行string a = "abc"; string b = "def"; string c = a + b;后，c 的值是_______。答案："abcdef"解析：string 支持+运算符，用于拼接两个字符串。

二、选择题（10 道）

  1. 下列哪个容器可以像普通数组一样用[i]访问元素？（ ）A. queue B. stack C. vector D. 以上都可以答案：C解析：vector 是动态数组，支持随机访问（用[i]访问第 i 个元素）；queue 和 stack 不能直接用[i]访问。

  2. 下列哪个函数用于判断队列是否为空？（ ）A. empty() B. size() C. clear() D. isEmpty()答案：A解析：queue 的empty()函数返回 true 表示队列空，false 表示非空。

  3. 对于 stack<string> s，若要查看栈顶元素（不删除），应使用（ ）A. s.front() B. s.top() C. s.back() D. s.pop()答案：B解析：stack 用top()获取栈顶元素，front()是 queue 的函数，pop()用于删除元素。

  4. 执行以下代码后，输出结果是（ ）

    cpp

    运行

    复制代码 
    vector<int> v;
v.push_back(3);
v.push_back(1);
v.push_back(2);
cout << v[1];

    A. 3 B. 1 C. 2 D. 0答案：B解析：vector 的元素按添加顺序存储，索引从 0 开始，v[1]是第二个元素 1。

  5. 下列关于 string 的操作，正确的是（ ）A. string s = "a" + "b"; B. string s; s = "abc" + 123;C. string s = "hello"; s.size() D. string s = "hi"; s[2] = '!';答案：C解析：A 中两个字符串常量不能直接用+；B 中字符串和数字不能直接拼接；C 正确，size()返回长度；D 中 "s" 长度为 2，索引 2 越界。

  6. 执行以下代码后，输出结果是（ ）

    cpp

    运行

    复制代码 
    queue<int> q;
q.push(10);
q.push(20);
q.pop();
cout << q.front();

    A. 10 B. 20 C. 0 D. 无输出答案：B解析：先入队 10 和 20，pop()删除队头 10，剩余队头是 20。

  7. 执行以下代码后，输出结果是（ ）

    cpp

    运行

    复制代码 
    stack<int> s;
s.push(5);
s.push(6);
s.pop();
cout << s.top();

    A. 5 B. 6 C. 0 D. 无输出答案：A解析：先入栈 5 和 6（6 在栈顶），pop()删除 6，栈顶剩余 5。

  8. 对 vector<int> nums = {4,2,5,1} 使用 sort 排序后，结果是（ ）A. {1,2,4,5} B. {5,4,2,1} C. {4,5,2,1} D. 不变答案：A解析：sort 默认按从小到大排序。

  9. 下列哪个容器的元素不能被随机访问（即不能直接访问第 i 个元素）？（ ）A. vector B. string C. queue D. 以上都能答案：C解析：queue 只能访问队头元素，不能直接访问中间元素。

  10. 下列代码的输出结果是（ ）

    cpp

    运行

    复制代码 
    string a = "cat";
string b = "dog";
cout << (a + b).size();

    A. 3 B. 6 C. 5 D. 0答案：B解析：a + b是 "catdog"，长度为 6。

三、编程题（10 道）

  1. 用 vector 存储 3 个同学的体重（整数），并输出所有体重的总和。参考代码：

    cpp

    运行

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

int main() {
    vector<int> weights;
    weights.push_back(30);
    weights.push_back(35);
    weights.push_back(28);
    int sum = 0;
    for (int i = 0; i < weights.size(); i++) {
        sum += weights[i];
    }
    cout << sum << endl; // 输出93
    return 0;
}

    答案：93解析：将 3 个元素相加，30+35+28=93。

  2. 用 string 存储一个名字，输出 "Hello, 名字！"（例如名字是 "张三"，输出 "Hello, 张三！"）。参考代码：

    cpp

    运行

    复制代码 
    #include <iostream>
#include <string>
using namespace std;

int main() {
    string name = "张三";
    cout << "Hello, " + name + "!" << endl; // 输出Hello, 张三!
    return 0;
}

    答案：Hello, 张三！解析：用+拼接字符串。

  3. 用 queue 模拟 3 个顾客点餐，依次输出 "XX 点完餐了"。参考代码：

    cpp

    运行

    复制代码 
    #include <iostream>
#include <queue>
using namespace std;

int main() {
    queue<string> customers;
    customers.push("甲");
    customers.push("乙");
    customers.push("丙");
    while (!customers.empty()) {
        cout << customers.front() << "点完餐了" << endl;
        customers.pop();
    }
    return 0;
}

    输出：

    plaintext

    复制代码 
    甲点完餐了
乙点完餐了
丙点完餐了

    解析：队列先进先出，按添加顺序输出。

  4. 用 stack 模拟 3 个盘子叠放，依次输出 "拿走了 XX 盘子"。参考代码：

    cpp

    运行

    复制代码 
    #include <iostream>
#include <stack>
using namespace std;

int main() {
    stack<string> plates;
    plates.push("红盘子");
    plates.push("蓝盘子");
    plates.push("绿盘子");
    while (!plates.empty()) {
        cout << "拿走了" << plates.top() << endl;
        plates.pop();
    }
    return 0;
}

    输出：

    plaintext

    复制代码 
    拿走了绿盘子
拿走了蓝盘子
拿走了红盘子

    解析：栈后进先出，最后添加的绿盘子先被拿走。

  5. 用 vector 存储 5 个整数 {3,1,4,2,5}，排序后输出。参考代码：

    cpp

    运行

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

int main() {
    vector<int> nums = {3,1,4,2,5};
    sort(nums.begin(), nums.end());
    for (int n : nums) {
        cout << n << " ";
    }
    return 0;
}

    输出：1 2 3 4 5解析：sort 将元素从小到大排序。

  6. 统计 string"apple" 的长度，并输出。参考代码：

    cpp

    运行

    复制代码 
    #include <iostream>
#include <string>
using namespace std;

int main() {
    string s = "apple";
    cout << s.size() << endl; // 输出5
    return 0;
}

    答案：5解析："apple" 有 5 个字符，size()返回 5。

  7. 向 vector 中添加 2、4、6，然后输出第 2 个元素（索引从 0 开始）。参考代码：

    cpp

    运行

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

int main() {
    vector<int> v;
    v.push_back(2);
    v.push_back(4);
    v.push_back(6);
    cout << v[1] << endl; // 输出4
    return 0;
}

    答案：4解析：索引 1 对应第二个元素 4。

  8. 用 queue 存储 "1 号"、"2 号"、"3 号"，删除队头后输出新的队头。参考代码：

    cpp

    运行

    复制代码 
    #include <iostream>
#include <queue>
using namespace std;

int main() {
    queue<string> q;
    q.push("1号");
    q.push("2号");
    q.push("3号");
    q.pop(); // 删除1号
    cout << q.front() << endl; // 输出2号
    return 0;
}

    答案：2 号解析：删除队头 "1 号" 后，新队头是 "2 号"。

  9. 用 stack 存储 "铅笔"、"橡皮"，再添加 "尺子"，然后依次取出并输出。参考代码：

    cpp

    运行

    复制代码 
    #include <iostream>
#include <stack>
using namespace std;

int main() {
    stack<string> s;
    s.push("铅笔");
    s.push("橡皮");
    s.push("尺子");
    while (!s.empty()) {
        cout << s.top() << " ";
        s.pop();
    }
    return 0;
}

    输出：尺子 橡皮 铅笔解析：栈后进先出，最后添加的 "尺子" 先被取出。

  10. 对 string 数组 {"banana", "apple", "cherry"} 排序后输出。参考代码：

    cpp

    运行

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

int main() {
    vector<string> fruits = {"banana", "apple", "cherry"};
    sort(fruits.begin(), fruits.end());
    for (string f : fruits) {
        cout << f << " ";
    }
    return 0;
}

    输出：apple banana cherry解析：sort 对字符串按字典序（类似拼音顺序）排序。

五、总结

本课时通过生活场景类比，学习了 STL 中 5 种常用工具的基本用法。重点在于理解各容器的特性和核心操作，课后可通过更多生活案例练习（如用 queue 模拟银行叫号、用 stack 模拟叠杯子）巩固知识点。

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