程序设计与算法（三） 第八周 标准模板库STL（一）

String 类

string类是一个模板类：

typedef basic_string< char > string

使用string类要包含头文件< string>

string 对象的初始化：

• string s1(“hello”);
• string month=”match”;
• string s2(8,’x’);
• 等。。。。

#include 
#include 
using namespace std;
int main(){
    string s1("hello");
    cout<string s2(8, 'x');
    cout<string match = "matrch";
    cout<string s;
    s = 'n';
    cout<return 0;
}

hello
xxxxxxxx
matrch
n

string支持getline函数

• string s;
• getline(cin,s)

string的赋值和连接

• 用=赋值
• string s1(“cat”), s2
• s2=s1
• 用assign成员函数赋值
• string s1(“cat”), s2
• s2.assign(s1);
• 用assign成员函数部分复制
• string s1(“catpig”), s3;
• s3.assign(s1,1,3); //下标为1到3这3个元素赋值给s3
• 单个字符赋值
• 单个字符复制：s2[5]=s1[3]=’a’;
• 逐个访问string中的字符string s1(“hello”) s1.at(i)
• 用+运算符连接字符串
• string s1(“good”), s2(“morning!”);
• s1+=s2
• 用成员函数append连接字符串
• string s1(“good”), s2(“morning”)
• s1.append(s2)
• s1.append(s1, 3, s1.size()) //下标为3的位置开始，赋值s1.size()个字符，如果没用那么多字符，就赋值到最后一个字符
• 用<,>,==比较字典序
• 用成员函数compare比较string的大小
• s1.compare(1,2,s3,0,3)是说，用s1的下标为1到2（包括2）的字符和s3的0到3的字符比较

子串

string s1(“hello world”), s2;
s2 = s1.substr(4,5); //从下标为4的位置，向后数5个字符进行赋值

交换两个string: s1.swap(s2)

寻找string中的字符

• 成员函数 find()和rfind()
  
  • string s1(“hello world”)
  • s1.find(“lo”)
  • 在s1中从前向后查找，”lo”第一次出现的地方，如果找到，返回”lo”开始的下标（“l”的下标） 如果找不到，返回string::npos(string中定义的静态常量)
  • s1.find(“lo”,1)//从下标为1的地方开始找
• find_first_of() 和find_last_of()（这个是最后一次出现的地方）
  
  • string s1(“hello world”);
  • s1.find_first_of(“abcd”);
  • 在s1中从前向后找”abcd”中任何一个字符第一次出现的地方，如果找到，返回找到字母的位置，找不到则返回string::npos。
• 成员函数find_first_not_of() 和find_last_not_of()
  
  • string s1(“hello world”)
  • s1.find_first_not_of(“abcd”);
  • 在s1中从前向后查找不在，“abcd”中的字母第一次出现的地方，如果找到，返回找到字母的位置，如果找不到，返回string::npos。
• 删除string中的字符
  
  • 成员函数erase()
  • string s1(“hello world”)
  • s1.erase(5) //删除5以及之后的字符
• 替换string中的字串
  
  • 成员函数replace()
  • string s1(“hello world”)
  • s1.replace(2,3,”haha”) // 将s1中下标2开始的3个字符换成”haha”
  • s1.replace(2,3,”haha”,1,2) // 将s1中下标2开始的3个字符换成“haha”中下标1开始的2个字符
• 在string中插入字符
  
  • 成员函数insert()
  • string s1(“hello world”)
  • string s2(“show insert”)
  • s1.insert(5, s2)
  • s1.insert(2, s2, 5, 3)
• 转换成C语言式char *字符串
  
  • 成员函数c_str()
  • string s1(“hello world”)
  • printf(“%s\n”,s1.c_str()) // s1.c_str() 返回传统的const char*类型字符串，该字符串以 ‘\0’ 结尾
• 转换成c语言式char*字符串
  
  • 成员函数data()
  • string s1(“hello world”)
  • const char *p1=s1.data()
  • for(int i=0;i

字符串流处理

除了标准流和文件流输入输出之外，还可以从string进行输入输出

类似istream和ostream进行标准流输入输出，我们用istringstream和ostringstream进行字符串上的输入输出，也称为内存输入输出:include< sstream>

#include 
#include 
#include 
using namespace std;
int main(){
    string s1("hello world");
    string ss1, ss2;
    istringstream inputstring(s1);
    inputstring>>ss1>>ss2;
    cout<" "<return 0;
}

#include 
#include 
#include 
using namespace std;
int main(){
    string s1("hello world");
    string ss1, ss2;
    istringstream inputstring(s1);
    inputstring>>ss1>>ss2;
    ostringstream out;
    out<<"the "<<22<<" ok"<cout<cout<<"there";
    return 0;
}

the 22 ok
there

标准模板库（STL）概述

泛型程序设计

c++语言的核心优势之一就是便于软件的重用

c++中有两个方面体现重用，

• 面向对象的思想：继承和多态，标准类库
• 泛型程序设计的思想：模板机制以及标准模板库STL

STL中的基本的概念

• 容器：可容纳各种数据类型的通用数据结构，是类模板
• 迭代器：可用于一次存取容器中元素，类似于指针
• 算法：用来操作容器中哦的元素的函数模板
• sort() 来对一个vector中的数据进行排序
• find()来搜索一个list中的对象
• 算法本身与他们操作的数据的类型无关，因此他们可以在从简单数组到高度复杂容器的任何数据结构上使用

容器概述：可以用于存放各种类型的数据（基本数据类型的变量，对象等）的数据结构，都是类模板，分为三种：

• 顺序容器：vector, deque, list
• 关联容器：set, multiset, map, multimap
• 容器适配器：stack, queue, priority_queue

顺序容器简介

vector：动态数组，元素在内存连续存放。

deque:头文件< deuqe>双向队列。元素在内存连续存放。随机存取任何元素都能在常数时间内完成（但次于vector）。在两端增删元素具有较佳的性能（大部分情况下是常数时间）。

list:头文件< list>双向链表。元素在内存不连续存放。在任何位置增删元素都能在常数时间内完成。不支持随机存取。

关联容器简介

• 元素是排序的
• 插入任何元素，都按相应的排序规则来确定其位置
• 在查找时具有
• 通常以平衡二叉树方式实现，插入和检索时间都是O(log(N))
• set/multiset 头文件< set> set即集合。set中不允许相同元素，multiset中允许存在相同元素。
• map/multimap 头文件< map>
• map和set的不同在于map中存放的元素有且仅有两个成员变量，一个名为first，另一个名为second，map根据first值对元素进行从小到大排序，并可快速地根据first来检索元素。map同multimap的不同在于是否允许相同first值的元素。

容器适配器简介

• stack:头文件：< stack> 栈。是项的有限序列，并满足序列中被删除、检索和修改的项只能是最近插入序列的项(栈顶的项)。后进先出
• queue：头文件< queue>队列。插入只可以在尾部进行，删除、检索和修改只允许从头部进行。先进先出。
• priority_queue:头文件< queue> 优先级队列。最高优先级元素总是第一个出列

顺序容器和关联容器中都有哪些成员函数

• begin: 返回指向容器中第一个元素的迭代器
• end: 返回指向容器中最后一个元素后面位置的迭代器
• rbegin:返回指向容器中最后一个元素的迭代器
• rend: 返回指向容器中第一个元素前面的位置的迭代器
• erase: 从容器中删除一个或几个元素
• clear: 从容器中删除所有元素

顺序容器的常用的成员函数

• front: 返回容器中第一个元素的引用
• back: 返回容器中最后一个元素的引用
• push_back: 在容器末尾增加新元素
• pop_back: 删除容器末尾的元素
• erase:删除迭代器指向的元素（可能会使该迭代器失效），或删除一个区间，返回被删除元素后面的那个元素的迭代器

标准模板库STL概述（二）

迭代器

• 用于指向顺序容器和关联容器中的元素
• 迭代器用法和指针类似
• 有const和非const两种
• 通过迭代器可以读取它指向的元素
• 通过非const迭代器还能修改其指向的元素

定义迭代器的方法

• 容器类名：：iterator 变量名;
• 容器类名：：const_iterator 变量名;
• 访问一个迭代器指向的元素：*迭代器变量名

迭代器上可以执行++操作，以使其指向容器中的下一个元素。如果到达了最后一个元素后面，就会出错。

#include 
#include 
using namespace std;
int main()
{
    vector<int> v;
    v.push_back(1);
    v.push_back(2);
    v.push_back(3);
    v.push_back(4);
    vector<int>::const_iterator i;
    for (i = v.begin(); i != v.end(); ++i) {
        cout<<*i<<",";
    }
    cout<vector<int>::reverse_iterator r;//反向迭代器，这里r++会指向容器中的前一个元素
    for (r = v.rbegin(); r!=v.rend(); ++r) {
        cout<<*r<<",";
    }
    vector<int>::iterator j;  //非常量迭代器
    for (j = v.begin(); j != v.end() ; ++j) {
        *j=100;
    }
    cout<for(auto x:v){
        cout<",";
    }
}

1,2,3,4,
4,3,2,1,
100,100,100,100,

双向迭代器

• ++p, p++， –p, p–
• *p //返回那个值（的引用）
• p=p1
• p==p1, p!=p1

随机访问迭代器

• 双向迭代器的所有操作
• p+=i
• p-=i
• p+i, p-i, p[i],
• p

容器和容器上迭代器的种类

• vector 随机访问
• deque 随机访问
• list 双向
• set/multiset 双向
• map/multimap 双向
• stack 不支持迭代器
• queue 不支持迭代器
• priority_queue 不支持迭代器

有的容器，例如sort和binary_search需要通过随机访问迭代器来访问容器中的元素，那么list以及关联容器就不支持改算法

vector 的迭代器是随机迭代器

list是双向迭代器，用法如下：

    list<int> vv;
    vv.push_back(1);
    vv.push_back(3);
    vv.push_back(5);
    list<int> ::const_iterator ii;
    //这里不能用ii
    for (ii=vv.begin();ii!=vv.end();++ii){
        cout<<*ii<<",";
    }

算法简介

• 算法就是一个个函数模板，大多是在< algorithm>中定义
• STL中提供能在各种容器中通用的算法，比如查找、排序等
• 算法通过迭代器来操纵容器中的元素，许多算法可以对容器中的一个局部区间进行操作，因此需要两个参数，一个是起始元素的迭代器，一个是终止元素的后面一个元素的迭代器
• 有的算法返回一个迭代器。比如find()算法，在容器中查找一个元素，并返回一个指向该元素的迭代器
• 算法可以处理容器，也可以处理普通数组

算法示例 find()

• template

STL中“大”，“小”的概念

• 关联容器内部的元素是从小到大排序的
• 有些算法要求其操作的区间是从小到大排序的，称为“有序区间算法”。例如：binary_search
• 有些算法会对区间进行从小到大排序，成为排序算法。例如：sort
• 还有一些其他算法会用到“大”，“小”的概念
• 使用STL时，在缺省的情况下，以下三个说法等价：x比y小，x

#include 
#include 
using namespace std;
class A{
    int v;
public:
    A(int n):v(n){}
    bool operator < (const A &a2)const{
        cout<"<"<"?"<return false;
    }
    bool operator == (const A &a2) const{
        cout<"=="<"?"<return v==a2.v;
    }
};
int main()
{
    A a[]={A(1), A(2), A(3), A(4), A(5)};
    cout<4, A(9));//折半查找中，只是判断了是否小于。。返回1是找到了
    return 0;
}

3<9?
2<9?
1<9?
9<1?
1

vector 和deque

vector

#include 
#include 
using namespace std;
template <class T>
void PrintVector(T s, T e){
    for(;s!=e;++s)
        cout<<*s<<" ";
    cout<int main(){
    int a[5]={1,2,3,4,5};
    vector<int> v(a, a+5);
    cout<<"1)"<cout<<"2)";
    PrintVector(v.begin(), v.end());
    v.insert(v.begin()+2, 13);//插入。。第一个参数是位置，第二个位置是元素
    cout<<"3)";
    PrintVector(v.begin(), v.end());
    v.erase(v.begin()+2);//删除
    cout<<"4)";
    PrintVector(v.begin(), v.end());
    vector<int> v2(4, 100);//4个元素，每个元素都是100
    v2.insert(v2.begin(),v.begin()+1, v.begin()+3);//在v2里面插入某个区间
    cout<<"5) v2:";
    PrintVector(v2.begin(), v2.end());
    v.erase(v.begin()+1, v.begin()+3);
    cout<<"6) ";
    PrintVector(v.begin(), v.end());
    return 0;
}

1)5
2)1 2 3 4 5 
3)1 2 13 3 4 5 
4)1 2 3 4 5 
5) v2:2 3 100 100 100 100 
6) 1 4 5 

vector 二维数组

#include 
#include 
using namespace std;
int main()
{
    vector< vector<int> > v(3);
    for (int i = 0; i < v.size(); ++i) {
        for (int j = 0; j < 4; ++j) {
            v[i].push_back(j);
        }
    }
    for (int i = 0; i < v.size(); ++i) {
        for (int j = 0; j < 4; ++j) {
            cout<" ";
        }
        cout<return 0;
}

0 1 2 3 
0 1 2 3 
0 1 2 3 

deque:适合vector的操作都适用于deque。

deque还要push_front(将元素插入到前面）和pop_front(删除最前面的元素）操作，复杂度是O(1)

双向链表：list

• 在任何位置插入删除都是常数时间，不支持随机存取
• 除了具有所有容器都有的成员函数以外，还支持8个成员函数：
• push_front: 在前面插入
• pop_front: 删除前面的元素
• sort：排序（list不支持STL的算法sort)
• remove: 删除和指定值相同的所有元素
• unique: 删除所有和前一个元素相同的元素（要做到元素不重复，则unique之前还需要sort）
• merge：合并两个链表，并清空被合并的那个
• reverse：颠倒链表
• splice: 在指定位置前面插入另一个链表中的一个或多个元素，并在另一链表中删除被插入的元素

#include 
#include 
#include 
using namespace std;
class A{
private:
    int n;
public:
    A(int _n):n(_n){}
    friend bool operator<(const A &a1, const A &a2);
    friend bool operator==(const A &a1, const A &a2);
    friend ostream &operator<<(ostream &o, const A &a);
};
bool operator<(const A &a1, const A &a2) {
    return a1.nbool operator==(const A &a1, const A &a2) {
    return a1.n==a2.n;
}
ostream& operator<<(ostream &o, const A &a) {
    o<return o;
}
template <class T>
void PrintList(const list & lst){
    //不推荐的写法，用两个迭代器更好
    typename list::const_iterator i; //typename用来说明list::const_iterator是个类型
    i = lst.begin();
    for (i = lst.begin(); i!=lst.end(); ++i) {
        cout<<*i<<",";
    }
}
int main()
{
    list lst1, lst2;
    lst1.push_back(1);lst1.push_back(3);
    lst1.push_back(2);lst1.push_back(4);
    lst1.push_back(2);
    lst2.push_back(10);
    lst2.push_front(20);
    lst2.push_back(30);
    lst2.push_front(30);
    lst2.push_back(30);
    lst2.push_front(40);
    lst2.push_back(40);
    cout<<"1)";
    PrintList(lst1);cout<cout<<"2)";
    PrintList(lst2);cout<cout<<"3)";
    PrintList(lst2);
    cout<//删掉头部元素
    cout<<"4)";
    PrintList(lst2);
    cout<2); //删除和A(2)相等的元素
    cout<<"5)";
    PrintList(lst1);
    cout<cout<<"6)";
    PrintList(lst2);
    cout<//合并lst2到lst1并清空lst2
    cout<<"7)";
    PrintList(lst1);
    cout<cout<<"8)";
    PrintList(lst2);
    cout<cout<<"9)";
    PrintList(lst1);
    cout<100);
    lst2.push_back(200);
    lst2.push_back(300);
    lst2.push_back(400);
    list::iterator p1, p2, p3;
    p1 = find(lst1.begin(), lst1.end(), 3);
    p2 = find(lst2.begin(), lst2.end(), 200);
    p3 = find(lst2.begin(), lst2.end(), 400);
    lst1.splice(p1, lst2, p2, p3);//将lst2[p2,p3)插入到p1之前， 并从lst2中删除[p2, p3)
    cout<<"10)";
    PrintList(lst1);
    cout<cout<<"11)";
    PrintList(lst2);
    cout<return 0;
}

1)1,3,2,4,2,
2)40,30,20,10,30,30,40,
3)10,20,30,30,30,40,40,
4)20,30,30,30,40,40,
5)1,3,4,
6)20,30,40,
7)1,3,4,20,30,40,
8)
9)40,30,20,4,3,1,
10)40,30,20,4,200,300,3,1,
11)100,400,

函数对象：若一个类重载了运算符“（）”，则该类的对象就成为函数对象

#include 
#include 
#include 
#include 
#include 
using namespace std;

int SumSquares(int total, int value)
{return total+value*value;}

template <class T>
void PrintInterval(T first, T last)
{
    for(;first!=last;++first)
    {
        cout<<*first<<" ";
    }
    cout<template <class T>
class SumPowers
{
private:
    int power;
public:
    SumPowers(int p):power(p){}
    const T operator()(const T&total, const T&value){
        T v=value;
        for(int i=0;i1;i++) v=v*value;
        return total+v;
    }
};

int main()
{
    const int SIZE = 10;
    int a1[]={1,2,3,4,5,6,7,8,9,10};
    vector<int> v(a1, a1+SIZE);
    cout<<"1)";
    PrintInterval(v.begin(), v.end());
    int result = accumulate(v.begin(), v.end(), 0, SumSquares);//SumSquares是个函数
    /*
     这里实例化了：
     int accumulate(vector::iterator first, vector::iterator last, int init, int(*op)(int, int))
     {
        for(;first!=last;++first)
            init=op(init, *first);
        return init;
     }
     */
    cout<<"2)平方和"<//SumPowers是个类模板，SumPowers模板类，SumPowers(3)是个对象，这个对象重载了“()”
    result = accumulate(v.begin(), v.end(), 0, SumPowers<int>(3));
    /*
     int accumulate(vector::iterator first, vector::iterator last, int init, SumPowers op)
     {
        for(;first!=last;++first)
            init=op(init, *first);
        return init;
     }
     */
    cout<<"3)立方和"<0, SumPowers<int>(4));
    cout<<"4)4次方和"<return 0;
}

1)1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 
2)平方和385
3)立方和3025
4)4次方和25333

//在c++源码中如下：

  template<typename _InputIterator, typename _Tp>
    inline _Tp
    accumulate(_InputIterator __first, _InputIterator __last, _Tp __init)
    {
      // concept requirements
      __glibcxx_function_requires(_InputIteratorConcept<_InputIterator>)
      __glibcxx_requires_valid_range(__first, __last);

      for (; __first != __last; ++__first)
    __init = __init + *__first;
      return __init;
    }

  template<typename _InputIterator, typename _Tp, typename _BinaryOperation>
    inline _Tp
    accumulate(_InputIterator __first, _InputIterator __last, _Tp __init,
           _BinaryOperation __binary_op)
    {
      // concept requirements
      __glibcxx_function_requires(_InputIteratorConcept<_InputIterator>)
      __glibcxx_requires_valid_range(__first, __last);

      for (; __first != __last; ++__first)
    __init = __binary_op(__init, *__first);
      return __init;
    }

STL中的函数对象类模板:头文件：< functional>

greater 函数对象类模板

//在c++中源码如下：

  template<typename _Tp>
    struct greater : public binary_function<_Tp, _Tp, bool>
    {
      _GLIBCXX14_CONSTEXPR
      bool
      operator()(const _Tp& __x, const _Tp& __y) const
      { return __x > __y; }
    };

greater的应用

list有两个sort成员函数

• void sort(); 将list中的元素按”<”规定的比较方法升序排列
• template< class Compare>
• void sort(Compare op); 将list中的元素按op规定的比较方法升序排列。即要比较x, y大小时，看op(x, y)的返回值，为true则认为x小于y

#include 
#include 
using namespace std;
class MyLess{
public:
    bool operator()(const int &c1, const int &c2)
    {
        //比较各位数
        return (c1%10)<(c2%10);
    }
};
template <class T>
void Print(T first, T last){
    for(;first!=last;++first) cout<<*first<<",";
}
int main()
{
    const int SIZE=5;
    int a[SIZE]={5,21,14,2,3};
    list<int> lst(a, a+SIZE);
    lst.sort(MyLess());
    Print(lst.begin(), lst.end());
    cout<int>());//greater()是个对象
    Print(lst.begin(), lst.end());
    cout<return 0;
}

21,2,3,14,5,
21,14,5,3,2,

在STL中使用自定义的“大”，“小”关系

关联容器和STL中许多算法，都是可以用函数或函数对象自定义比较器的。在自定义了比较器op的情况下，以下三个说法是等价的：1.x小于y；2.op(x,y) 返回true；3.y大于x

#include 
#include 
using namespace std;

class MyLess{
public:
    bool operator()(int a1, int a2){
        if((a1%10)<(a2%10)) return true;
        else return false;
    }
};

bool MyCompare(int a1, int a2){
    if((a1%10)<(a2%10)) return false;
    else return true;
}

template <class T, class pred>
T MyMax(T first, T last, pred op){
    T temp = first;
    for(;first!=last;++first){
        if(op(*temp, *first)) ////如果*temp小于*first
            temp = first;
    }
    return temp;
};

int main()
{
    int a[]={35, 7,13, 19, 12};
    cout<<*MyMax(a, a+5, MyLess())<cout<<*MyMax(a, a+5, MyCompare)<return 0;
}

19
12