C++ STL ＜algorithm＞中泛型算法：查找、排序、修改、统计、生成

C++ STL 中泛型算法：查找、排序、修改、统计、生成

[1. algorithm 概述](#1. algorithm 概述)
- [1.1 常见分类与函数速览](#1.1 常见分类与函数速览)
- [1.2 实战技巧与性能建议](#1.2 实战技巧与性能建议)
- [1.3 algorithm 小结](#1.3 algorithm 小结)
[2. algorithm 常用函数](#2. algorithm 常用函数)
- [2.1 查找类算法（find 系列）](#2.1 查找类算法（find 系列）)
- [2.2 排序与重排算法](#2.2 排序与重排算法)
- [2.3 最值与比较类算法](#2.3 最值与比较类算法)
- [2.4 修改类算法（复制 / 删除 / 替换）](#2.4 修改类算法（复制 / 删除 / 替换）)
- [2.5 集合与合并算法](#2.5 集合与合并算法)
- [2.6 变换与生成算法](#2.6 变换与生成算法)
- [2.7 数值算法（来自 numeric）](#2.7 数值算法（来自 numeric）)
[3. C++ 示例代码](#3. C++ 示例代码)
- [3.1 常用组合技巧](#3.1 常用组合技巧)
- [3.2 algorithm 中20个函数](#3.2 algorithm 中20个函数)

1. algorithm 概述

<algorithm> 是 C++ STL 里最强大、最常用的头文件之一，它提供了200 多个泛型算法 ，用于处理容器（如 vector, list, deque, array, map 等）的查找、排序、计数、修改等操作。这些算法全部基于迭代器，因此不仅能作用于 STL 容器，也能用于原生数组、指针区间。

C++ 的 <algorithm> 是 STL 的「灵魂」。

它让你不再需要手写 for 循环，而用函数式方式表达算法逻辑，既安全又高效。

💡 一条原则：能用算法的地方，就不要写 for。

1.1 常见分类与函数速览

分类	常用函数
查找	`find`, `find_if`, `any_of`, `all_of`, `none_of`, `count_if`
排序/重排	`sort`, `reverse`, `rotate`, `nth_element`, `shuffle`
修改	`copy`, `remove_if`, `replace_if`, `unique`, `fill`, `transform`
统计/最值	`count`, `accumulate`, `max_element`, `min_element`, `clamp`
生成	`iota`, `generate`, `fill`, `generate_n`
集合/合并	`merge`, `set_union`, `set_intersection`, `set_difference`

1.2 实战技巧与性能建议

技巧	说明
✅ 搭配 lambda 表达式	函数式写法简洁清晰
✅ 配合 erase-remove 惯用法	真正删除元素
✅ 对 vector 用 sort 替代 map 查找	可显著提高缓存局部性
✅ stable_sort 用于保持逻辑顺序	UI 列表、日志排序等
⚠️ remove_if 不改变容器大小	必须 `.erase()`
⚠️ 集合算法要求输入有序	否则结果错误
⚡ 算法与并行 STL	C++17 起可使用 `std::execution::par` 并行加速

1.3 algorithm 小结

分类	核心算法	典型用途
查找	`find`, `find_if`	搜索条件匹配项
排序	`sort`, `reverse`	数据排序与反转
修改	`remove_if`, `replace_if`, `transform`	批量修改元素
统计	`count`, `accumulate`	数据统计与求和
生成	`iota`, `generate`	创建序列或随机数据
合并	`merge`, `set_union`	合并多个有序数据

2. algorithm 常用函数

下面系统整理出最常用 + 最好用的函数（并分功能分类，含简短示例）

2.1 查找类算法（find 系列）

这些算法用于在区间 [first, last) 中查找满足条件的元素

函数	作用	示例
`std::find`	查找第一个等于指定值的元素	`auto it = std::find(v.begin(), v.end(), 3);`
`std::find_if`	查找第一个满足条件的元素	`auto it = std::find_if(v.begin(), v.end(), [](int x){return x>3;});`
`std::find_if_not`	查找第一个不满足条件的元素	`auto it = std::find_if_not(v.begin(), v.end(), pred);`
`std::any_of`	是否存在至少一个元素满足条件	`bool ok = std::any_of(v.begin(), v.end(), pred);`
`std::all_of`	是否所有元素都满足条件	`bool ok = std::all_of(v.begin(), v.end(), pred);`
`std::none_of`	是否所有元素都不满足条件	`bool ok = std::none_of(v.begin(), v.end(), pred);`
`std::count`	统计指定值出现次数	`int n = std::count(v.begin(), v.end(), 3);`
`std::count_if`	统计满足条件的元素数量	`int n = std::count_if(v.begin(), v.end(), [](int x){return x>5;});`

💡 技巧：这些算法不修改容器，仅返回结果或迭代器，可安全用于 const 容器。

2.2 排序与重排算法

函数	作用	示例
`std::sort`	快速排序（仅随机访问迭代器）	`std::sort(v.begin(), v.end());`
`std::stable_sort`	稳定排序（保持相等元素相对顺序）	`std::stable_sort(v.begin(), v.end());`
`std::partial_sort`	只对前 N 个元素排序	`std::partial_sort(v.begin(), v.begin()+3, v.end());`
`std::nth_element`	找出第 N 小的元素	`std::nth_element(v.begin(), v.begin()+n, v.end());`
`std::reverse`	反转区间	`std::reverse(v.begin(), v.end());`
`std::rotate`	左/右旋转	`std::rotate(v.begin(), v.begin()+1, v.end());`
`std::shuffle`	随机打乱元素	`std::shuffle(v.begin(), v.end(), std::mt19937{std::random_device{}()});`

⚡ 小技巧：nth_element 常用于快速求中位数 / Top-K 排序。

2.3 最值与比较类算法

函数	作用	示例
`std::min` / `std::max`	返回两个值的最小 / 最大	`auto m = std::min(a,b);`
`std::min_element` / `std::max_element`	找最小 / 最大元素迭代器	`auto it = std::max_element(v.begin(), v.end());`
`std::clamp`	限制值在 `[low, high]` 范围	`x = std::clamp(x, 0, 100);`
`std::lexicographical_compare`	字典序比较两个区间	`if (lexicographical_compare(a.begin(), a.end(), b.begin(), b.end())) ...`

2.4 修改类算法（复制 / 删除 / 替换）

函数	作用	示例
`std::copy`	拷贝区间	`std::copy(a.begin(), a.end(), b.begin());`
`std::copy_if`	拷贝满足条件的元素	`std::copy_if(v.begin(), v.end(), out, pred);`
`std::move`	移动元素	`std::move(a.begin(), a.end(), b.begin());`
`std::fill` / `std::fill_n`	填充固定值	`std::fill(v.begin(), v.end(), 0);`
`std::replace` / `std::replace_if`	替换特定值或条件	`std::replace(v.begin(), v.end(), 1, 99);`
`std::remove` / `std::remove_if`	删除元素（需配合 `erase`）	`v.erase(remove_if(v.begin(), v.end(), pred), v.end());`
`std::unique`	删除连续重复元素（需配合 `erase`）	`v.erase(unique(v.begin(), v.end()), v.end());`

⚠️ remove 系列只是逻辑删除（移动不需要的元素到尾部），真正删除需要 v.erase(...)。

2.5 集合与合并算法

函数	作用	示例
`std::merge`	合并两个有序区间	`std::merge(a.begin(), a.end(), b.begin(), b.end(), out.begin());`
`std::set_union`	并集	`set_union(a.begin(),a.end(),b.begin(),b.end(),out.begin());`
`std::set_intersection`	交集	`set_intersection(a.begin(),a.end(),b.begin(),b.end(),out.begin());`
`std::set_difference`	差集	`set_difference(a.begin(),a.end(),b.begin(),b.end(),out.begin());`
`std::set_symmetric_difference`	对称差	`set_symmetric_difference(a.begin(),a.end(),b.begin(),b.end(),out.begin());`

🔧 要求：参与集合算法的区间必须是有序的！

2.6 变换与生成算法

函数	作用	示例
`std::for_each`	对每个元素执行函数	`for_each(v.begin(),v.end(),[](auto &x){x*=2;});`
`std::transform`	对区间应用函数并输出	`transform(a.begin(),a.end(),b.begin(),[](int x){return x*2;});`
`std::generate` / `std::generate_n`	按函数生成元素	`generate(v.begin(),v.end(),rand);`
`std::iota`	生成递增序列	`iota(v.begin(), v.end(), 1);`

2.7 数值算法（来自 numeric）

函数	作用	示例
`std::accumulate`	求和或任意二元操作	`int sum = accumulate(v.begin(),v.end(),0);`
`std::inner_product`	求向量内积	`auto dot = inner_product(a.begin(),a.end(),b.begin(),0);`
`std::partial_sum`	局部累加	`partial_sum(v.begin(),v.end(),out.begin());`
`std::iota`	生成递增序列	`std::iota(v.begin(), v.end(), 0);`

3. C++ 示例代码

3.1 常用组合技巧

cpp 复制代码

// 1. 删除满足条件的元素
v.erase(std::remove_if(v.begin(), v.end(), [](int x){return x<0;}), v.end());

// 2. 查找并修改
auto it = std::find_if(v.begin(), v.end(), [](int x){return x>10;});
if (it != v.end()) *it = 10;

// 3. 统计大于 5 的数量
int cnt = std::count_if(v.begin(), v.end(), [](int x){return x>5;});

// 4. 判断是否有偶数
bool hasEven = std::any_of(v.begin(), v.end(), [](int x){return x%2==0;});

3.2 algorithm 中20个函数

直接复制到工程中运行的完整示例文件：

cpp 复制代码

// File: algorithm_examples.cpp
#include <iostream>
#include <vector>
#include <algorithm>
#include <numeric>      // accumulate, iota
#include <random>       // shuffle
#include <iterator>     // ostream_iterator

using namespace std;

int main() {
    vector<int> v = {1, 2, 3, 4, 5, 3, 2, 1};
    cout << "原始数据: ";
    for (int x : v) cout << x << " ";
    cout << "\n\n";

    // 1. find - 查找指定值
    auto it = find(v.begin(), v.end(), 3);
    if (it != v.end()) cout << "find: 找到 3 在位置 " << distance(v.begin(), it) << "\n";

    // 2. find_if - 查找第一个满足条件的元素
    it = find_if(v.begin(), v.end(), [](int x){ return x > 3; });
    if (it != v.end()) cout << "find_if: 第一个 >3 的是 " << *it << "\n";

    // 3. any_of - 是否存在满足条件的元素
    cout << "any_of: 是否存在偶数？ " << boolalpha
         << any_of(v.begin(), v.end(), [](int x){ return x % 2 == 0; }) << "\n";

    // 4. all_of - 是否所有元素都满足条件
    cout << "all_of: 是否所有元素 >0？ "
         << all_of(v.begin(), v.end(), [](int x){ return x > 0; }) << "\n";

    // 5. none_of - 是否没有元素满足条件
    cout << "none_of: 是否所有元素都不是 10？ "
         << none_of(v.begin(), v.end(), [](int x){ return x == 10; }) << "\n";

    // 6. count - 统计指定值的数量
    cout << "count: 值为 3 的数量 = " << count(v.begin(), v.end(), 3) << "\n";

    // 7. count_if - 统计满足条件的数量
    cout << "count_if: 大于 2 的数量 = "
         << count_if(v.begin(), v.end(), [](int x){ return x > 2; }) << "\n";

    // 8. sort - 升序排序
    sort(v.begin(), v.end());
    cout << "sort: ";
    for (int x : v) cout << x << " ";
    cout << "\n";

    // 9. reverse - 反转序列
    reverse(v.begin(), v.end());
    cout << "reverse: ";
    for (int x : v) cout << x << " ";
    cout << "\n";

    // 10. max_element / min_element - 最大/最小元素
    cout << "max_element: " << *max_element(v.begin(), v.end()) << "\n";
    cout << "min_element: " << *min_element(v.begin(), v.end()) << "\n";

    // 11. accumulate - 求和
    int sum = accumulate(v.begin(), v.end(), 0);
    cout << "accumulate: 总和 = " << sum << "\n";

    // 12. iota - 生成连续序列
    vector<int> seq(10);
    iota(seq.begin(), seq.end(), 1);
    cout << "iota: ";
    for (int x : seq) cout << x << " ";
    cout << "\n";

    // 13. unique - 删除连续重复元素（需先排序）
    sort(v.begin(), v.end());
    v.erase(unique(v.begin(), v.end()), v.end());
    cout << "unique: ";
    for (int x : v) cout << x << " ";
    cout << "\n";

    // 14. remove_if - 删除满足条件的元素
    vector<int> v2 = {1, 2, 3, 4, 5, 6};
    v2.erase(remove_if(v2.begin(), v2.end(), [](int x){ return x % 2 == 0; }), v2.end());
    cout << "remove_if: 删除偶数后 -> ";
    for (int x : v2) cout << x << " ";
    cout << "\n";

    // 15. replace_if - 替换满足条件的元素
    vector<int> v3 = {1, 2, 3, 4, 5};
    replace_if(v3.begin(), v3.end(), [](int x){ return x < 3; }, 0);
    cout << "replace_if: <3 的改为 0 -> ";
    for (int x : v3) cout << x << " ";
    cout << "\n";

    // 16. transform - 映射变换
    vector<int> v4(5);
    transform(v3.begin(), v3.end(), v4.begin(), [](int x){ return x * 2; });
    cout << "transform: 每个元素 *2 -> ";
    for (int x : v4) cout << x << " ";
    cout << "\n";

    // 17. for_each - 遍历操作
    cout << "for_each: 打印平方 -> ";
    for_each(v4.begin(), v4.end(), [](int x){ cout << x * x << " "; });
    cout << "\n";

    // 18. shuffle - 随机打乱
    shuffle(seq.begin(), seq.end(), mt19937{random_device{}()});
    cout << "shuffle: ";
    for (int x : seq) cout << x << " ";
    cout << "\n";

    // 19. merge - 合并两个已排序序列
    vector<int> a = {1, 3, 5};
    vector<int> b = {2, 4, 6};
    vector<int> merged;
    merge(a.begin(), a.end(), b.begin(), b.end(), back_inserter(merged));
    cout << "merge: ";
    for (int x : merged) cout << x << " ";
    cout << "\n";

    // 20. clamp - 限制值在区间内
    int x = 120;
    cout << "clamp: 限制 120 在 [0,100] -> " << clamp(x, 0, 100) << "\n";

    cout << "\n✅ 所有示例运行完毕。\n";
    return 0;
}