C++ STL算法——修改序列算法

C++ STL算法------修改序列算法

C++标准模板库（STL）中的修改序列算法是一组能够直接改变容器中元素内容或顺序的强大工具。它们通过高效的底层操作实现数据的变换、筛选和重组，适用于需要动态调整数据的场景。

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一、什么是修改序列算法？

修改序列算法是指那些会直接改变容器内元素状态（值或位置）的算法。其核心特征包括：

1. 副作用明显：直接影响原始容器的元素分布或数值。
2. 灵活性高：支持复杂的数据重构任务（如过滤、排序、填充等）。
3. 性能优化 ：多数算法基于线性时间复杂度（O(N)O(N)O(N)），部分高级操作可达更高效能。

注意：使用此类算法时需谨慎处理迭代器失效问题（尤其在涉及插入/删除的操作中，可能会导致莫名RE）。

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二、核心算法分类与实战示例

1️⃣ 拷贝与移动类

• std::copy / std::copy_backward

  • 功能：将源区间元素复制到目标区间。

  • 区别：前者正向复制，后者反向复制（避免重叠区域覆盖）。

  • 示例：

    vector<int> src = {1, 2, 3};
    vector<int> dst(3);
    copy(src.begin(), src.end(), dst.begin()); // dst: [1,2,3]
    // copy_backward适用于目标地址位于源之后的情况

• std::move / std::move_backward

  • 用途：利用右值语义高效转移资源（常用于自定义类型）。

  • 示例：

    vector<string> names = {"Alice", "Bob"};
    vector<string> movedNames;
    move(names.begin(), names.end(), back_inserter(movedNames)); // names变为空或未指定状态

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2️⃣ 填充与生成类

• std::fill / std::fill_n

  • 作用：批量设置固定值。

  • 示例：

    vector<int> vec(5);
    fill(vec.begin(), vec.end(), 42); // 全部赋值为42
    fill_n(ostream_iterator<int>(cout), 3, '#'); // 输出：###

• std::generate / std::generate_n

  • 特色：通过生成器动态创建值（如斐波那契数列）。

  • 示例：

    auto fib = []() { static int a=0,b=1; return b=a+b, a=b-a; };
    vector<int> series(5);
    generate(series.begin(), series.end(), fib); // [1,1,2,3,5]

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3️⃣ 替换与转换类

• std::replace / std::replace_if

  • 场景：无条件或有条件地更新特定值。

  • 示例：

    list<double> prices = {98.5, 102.0, 99.9};
    replace_if(prices.begin(), prices.end(), [](double p){ return p > 100; }, 99.0); // [98.5,99.0,99.9]

• std::transform

  • 多版本应用：单输入映射 & 双输入运算。

  • 示例：

    vector<int> nums = {1,2,3};
    vector<int> squared;
    transform(nums.begin(), nums.end(), back_inserter(squared), [](int x){ return x*x; }); // [1,4,9]
    // 双参版本可用于逐对计算（如向量加法）

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4️⃣ 移除与去重类

• std::remove / std::remove_if + erase（黄金组合）

  • 关键陷阱 ：仅压缩元素而非真正删除！必须配合container::erase使用。

  • 示例：

    vector<char> chars = {'a','b','c','a'};
    auto last = remove(chars.begin(), chars.end(), 'a'); // ['b','c',?,?]
    chars.erase(last, chars.end()); // 最终结果：['b','c']

• std::unique

  • 用途：去除连续重复项（需预排序保证全局唯一性）。

  • 示例：

    deque<int> dq = {1,2,2,3,3,3};
    sort(dq.begin(), dq.end()); // 先排序才能正确去重
    auto it = unique(dq.begin(), dq.end()); // [1,2,3,?,?,?]
    dq.resize(distance(dq.begin(), it)); // 确保尺寸匹配

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5️⃣ 反转与旋转类

• std::reverse / std::rotate

  • 经典案例：数组翻转 & 循环移位。

  • 示例：

    string str = "hello";
    reverse(str.begin(), str.end()); // "olleh"
    // 旋转左移k位：[first, middle) -> end(), [middle, last) -> begin()
    rotate(str.begin(), str.begin()+2, str.end()); // "lloeh"

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6️⃣ 排序与分区类

• std::sort vs std::stable_sort

  • 抉择依据：稳定性需求 & 性能权衡。

    struct Person{ string name; int age; };
    vector<Person> people = {...};
    sort(people.begin(), people.end(), [](const Person& a, const Person& b){ return a.age < b.age; });
    // stable_sort保证相等元素的原始相对顺序不变

• std::partition / std::stable_partition

  • 高级分割：按谓词分离真假值集合。

  • 示例：

    list<int> mixed = {1,-2,3,-4};
    auto sep = partition(mixed.begin(), mixed.end(), [](int x){ return x > 0; }); // [1,3 | -2,-4]
    // stable_partition保留各组内部原有次序

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三、如何选择算法？决策树指南

需求	推荐算法	备注
原地修改元素值	replace, fill	简单直接
基于条件筛选元素	remove_if + erase	黄金搭档模式
数学变换/投影	transform	支持多种输入组合
随机访问重排	sort, partial_sort	快速但不保序
稳定重排需求	stable_sort, stable_partition	牺牲速度换稳定性
批量初始化	generate, iota	动态/递增赋值

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四、避坑指南 & 最佳实践

1. 警惕迭代器失效：

   • 对于关联容器（如map），修改操作会使所有指向被删元素的迭代器失效；
   • 在vector中间插入/删除会导致后续迭代器集体失效。

2. 优先选用现成算法：

   • 手写循环易出错且难以维护，应信任经过充分测试的标准库实现。

3. 理解边界行为：

   • copy系列要求目标空间充足；
   • remove返回新的逻辑结尾迭代器，不可直接当作物理大小使用。

4. 利用辅助对象提升安全性：

   • back_inserter, front_inserter自动扩容适配长度；
   • insert_iterator封装插入语义防止越界。

5. 关注异常安全性：

   • 强异常保证算法（如std::copy）要么完全成功，要么保持原状；
   • 弱保证算法（如std::sort）可能在中途抛出异常导致数据损坏风险。

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综上所述，修改序列算法构成了STL数据处理的核心引擎，熟练掌握它们能够显著提升代码的表现力与执行效率。在实际开发中，建议遵循以下原则：

✅ 明确意图优先于手动编码 ------让算法替你思考复杂逻辑；

✅ 严格验证前置条件 ------确保迭代器范围有效且满足算法要求；

✅ 善用复合操作链 ------多个轻量级算法串联往往比单一重型操作更高效；

✅ 持续重构优化------随着业务演进重新评估现有算法选型合理性。