算法设计工具——STL

STL

STL由容器、算法、迭代器三部分构成

STL算法

主要由头文件、、组成

• 功能涉及容器元素的比较、交换、查找、遍历、复制、修改、删除、排序和合并等操作
• 只包括几个简单数学运算的模板函数
• 定义了一些模板类用于声明关系函数对象

STL迭代器

  STL迭代器用于访问容器中的数据对象。每个容器都有自己的迭代器，算法通过迭代器来定位和操作容器中的元素

 常用的迭代器：

• iterator：指向容器中存放元素的迭代器，用于正向遍历容器中的元素
• const_iterator：指向容器中存放元素的常量迭代器，只能读取容器中的元素。
• reverse_iterator：指向容器中存放元素的反向迭代器，用于反向遍历容器中的元素
• const_reverse_iterator：指向容器中存放元素的常量反向迭代器，只能读取容器中的元素

 迭代器的常用运算：

• ++：正向移动迭代器
• --：反向移动迭代器
• *：返回迭代器所指的元素值

  迭代器类似于指针，如果迭代器到达了容器中最后一个元素的后面，则迭代器变成一个特殊的值，就好像NULL或未初始化的指针一样

STL容器

一个STL容器就是一种数据结构

顺序容器

   顺序容器按照线性次序的位置存储数据。

向量(vector)

   向量容器相当于数组，它存储具有相同类型的一组元素，它可以从末尾快速地插入与删除元素，快速地随机访问元素，但是在序列中间插入、删除元素较慢，因为需要移动插入或删除位置后面的所有元素

定义方式如下

//定义元素为int的向量v1
vector<int> v1;
//指定v2的初始大小为10个int元素
vector<int> v2(10);
//指定v3的10个初始元素的初值为1.23
vector<double> v3(10, 1.23);
//用数组a[0..4]共5个元素初始化v4
vector<int> v4(a, a + 5);

• empty()：判断当前向量容器是否为空
• size()：返回当前向量容器中的实际元素个数
• []：返回指定下标的元素
• reserve(n)：为当前向量容器预分配n个元素的存储空间
• capacity()：返回当前向量容器在重新进行内存分配以前所能容纳的元素个数
• resize(n)：调整向量容器的大小，使其能容纳n个元素
• push_back()：在当前向量容器尾部添加一个元素
• insert(pos, elem)：在pos位置插入元素elem，即将元素elem插入到迭代器pos指定的元素之前
• front()：获取当前向量容器的第一个元素
• back()：获取当前元素向量的最后一个元素
• erase()：删除当前向量容器中某个迭代器或者迭代器区间指定的元素
• clear()：删除当前向量容器中的所有元素
• begin()：该函数的两个版本返回iterator或const_iterator，引用容器的第一个元素
• end()：该函数的两个版本返回iterator或const_iterator，引用容器的最后一个元素后面的一个位置
• rbrgin()：该函数的两个版本返回reverse_iterator或const_reverse_iterator，引用容器的最后一个元素
• rend()：该函数的两个版本返回reverse_iterator或const_reverse_iterator，引用容器的第一个元素前面的一个位置

字符串(string)

  它所有元素为字符类型，类似于vector

 创建方式如下

• string()：建立一个空的字符串
• string(const string& str)：用字符串str建立当前字符串
• string(const string& str, size_type str_idx)：用字符串str起始于str_idx的字符建立当前字符串
• string(const string& str, size_type str_idx, size_type str_num)：用字符串str起始于str_idx的str_num个字符建立当前字符串
• string(const char* cstr)：用字符数组存放的字符串cstr建立当前字符串
• string(const char* chars, size_type chars_len)：用字符数组存放的字符串cstr开头的chars_len个字符建立当前字符串
• string(size_type num, char c)：用num个字符c建立当前字符串

常用函数如下：

• empty()：判断当前字符串是否为空串
• size()：返回当前字符串的实际字符个数(返回结果为size_type类型)
• length：返回当前字符串的实际字符个数
• [idx]：返回当前字符串位于idx位置的字符，idx从0开始
• at[idx]：返回当前字符串位于idx位置的字符
• compare(const string& str)：返回当前字符串与字符串str的比较结果，若两者相等，返回0；若前者小于后者，返回-1，否则返回1
• append(cstr)：在当前字符串的末尾添加一个字符串str
• insert(size_type idx, const string& str)：在当前字符串的idx处插入一个字符串str
• find(string& s, size_type pos)：从当前字符串中的pos位置开始查找字符串s的第一个位置，找到后返回其位置，若没有找到返回-1
• replace(size_type idx, size_type len, const string& str)：将当前字符串中起始于idx的len个字符用一个字符串str替换
• replace(iterator beg, iterator end, const string& str)：将当前字符串中由迭代器beg和end所指区间用一个字符串str替换
• substr(size_type idx)：返回当前字符串起始于idx的子串
• substr(size_type idx, size_type len)：返回当前字符串起始于idx的长度为len的子串
• clear()：删除当前字符串中的所有字符
• erase()：删除当前字符串中的所有字符
• erase(size_type idx)：删除当前字符串从idx开始的所有字符
• erase(size_type idx, size_type len)：删除当前字符串从idx开始的len个字符

双端队列(deque)

  双端队列容器由若干个块构成，每个块中元素的地址是连续的，块之间的地址是不连续的，系统有一个特定的机制将这些块构成一个整体。所以空间的重新分配比vector快，因为重新分配空间后原有的元素不需要复制。

  用户可以从前面或后面快速地插入与删除元素，并可以快速地随机访问元素，但在中间位置插入和删除元素较慢。

  定义方式如下：

deque<int> dq1;
deque<int> dq2(10);//指定dq2的初始大小为10个int元素
deque<double> dq3(10, 1.23);
deque<int> dq4(dq2.begin(), bq2.end());//用dq2的所有元素初始化dq4

主要成员函数如下：

• empty()：判断双端队列容器是否为空队
• size()：返回双端队列容器中的元素个数
• front()：取队头元素
• back()：取队尾元素
• push_front(elem)：在队头插入元素elem
• push_back(elem)：在队尾插入元素elem
• pop_front()：删除队头一个元素
• pop_back()：删除队尾一个元素
• erase()：在双端队列容器中删除一个或几个元素
• clear()：删除双端队列容器中所有的元素
• begin()：该函数的两个版本返回iterator或const_iterator，引用容器的第一个元素
• end()：该函数的两个版本返回iterator或const_iterator，引用容器的最后一个元素后面的一个位置
• rbegin()：该函数的两个版本返回reverse_iterator或const_reverse_iterator，引用容器的最后一个元素
• rend()：该函数的两个版本返回reverse_iterator或const_reverse_iterator，引用容器的第一个元素前面的一个位置

链表(list)

  它是一个双链表类模板，可以从任何地方地方快速插入与删除。
  它的每个节点之间通过指针链接，不能随机访问元素
  list容器插入元素比vector快，对每个元素单独分配空间，所以不存在空间不够需要重新分配的情况。

• empty()：判断链表容器是否为空
• size()：返回链表容器中的实际元素个数
• push_back()：在链表尾部插入元素
• pop_back()：删除链表容器的最后一个元素
• remove()：删除链表容器中所有指定值的元素
• remove_if(cmp)：删除链表容器中满足条件的元素
• erase()：从链表容器中删除一个或几个元素
• unique()：删除链表容器中相邻的重复元素
• clear()：删除链表容器中的所有元素
• insert(pos, elem)：在pos位置插入元素elem，即将elem插入到迭代器pos指定的元素之前
• insert(pos, n, elem)：在pos位置插入n个元素elem
• insert(pos, pos1, pos2)：在迭代器pos处[pos1, pos2)的元素
• reverse()：反转链表
• sort()：对链表容器中的元素排序
• begin()：该函数的两个版本返回iterator或const_iterator，引用容器的第一个元素
• end()：该函数的两个版本返回iterator或const_iterator，引用容器的最后一个元素后面的一个位置
• rbegin()：该函数的两个版本返回iterator或const_iterator，引用容器的最后一个元素后面的一个位置
• rend()：该函数的两个版本返回reverse_iterator或const_reverse_iterator，引用容器的第一个元素前面的一个位置

关联容器

  关联容器中每个元素有一个key，通过key来存储和读取元素，这些关键字不一定与元素在容器中的位置有关

集合(set)/多重集合(multiset)

  set中元素的关键字是唯一的，multiset中元素的关键字可以不唯一，默认情况下会对元素按关键字自动进行升序排列。

set中没有相同关键字的元素，在向set插入元素时，如果已经存在则不插入。

multiset中允许存在两个相同关键字的元素，删除操作时删除multiset中值等于elem的所有元素，若删除成功返回删除个数，否则返回0.

• empty()：判断容器是否为空
• size()：返回容器中的实际元素个数
• insert()：插入元素
• erase()：从容器中删除一个或几个元素
• clear()：删除所有元素
• count(k)：返回容器关键字k出现的次数
• find(k)：如果容器中存在关键字为k的元素，返回该元素的迭代器，否则返回end()值
• upper_bound()：返回一个迭代器，指向关键字大于k的第一个元素
• lower_bound()：返回一个迭代器，指向关键字不小于k的第一个元素
• begin()：用于正向迭代，返回元素中第一个元素的位置
• end()：用于正向迭代，返回容器中最后一个元素后面的一个位置
• rbegin()：用于反向迭代，返回容器中最后一个元素的位置
• rend()：用于反向迭代，返回容器中第一个元素前面的一个位置

映射(map)/多重映射(multimap)

集合中的key和value都是key类型，而映射则是pair类结构

按key的升序排列，以红黑树的形式存储，可以根据key快速找到value(查找时间复杂度为$O(lo{g}_{2}n)$)

map不允许关键字重复出现，支持[]运算符;而multimap中允许关键字重复出现，但不支持[]

• empty()：判断容器是否为空
• size()：返回容器中的实际元素个数
• map[key]：返回关键字为key的元素的引用，如果不存在这样的关键字，则以key作为关键字插入一个元素(不适合mutimap)
• insert(elem)：插入一个元素elem并返回该元素的位置
• clear()：删除所有元素
• count()：容器中指定关键字的元素个数(map中只有0和1)
• find()：在容器中查找元素
• begin()：于正向迭代，返回元素中第一个元素的位置
• end()：用于正向迭代，返回容器中最后一个元素后面的一个位置
• rbegin()：用于反向迭代，返回容器中最后一个元素的位置
• rend()：用于反向迭代，返回容器中第一个元素前面的一个位置

适配器容器

  适配器容器是指基于其他容器实现的容器，在底层容器的基础上实现适配器容器的功能

栈(stack)

  栈容器的默认底层容器是deque。用户也可以指定其他底层容器

stack<string, vector<string>> my_stack; //指定底层容器为vector

 stack的主要成员函数如下：

• empty()：判断栈容器是否为空
• size()：返回栈容器中实际元素个数
• push(elem)：元素elem进栈
• top()：返回栈顶元素
• pop()：元素出栈

#include
#include
using namespace std;
int main(){
	stack<int> st;
	st.push(1);st.push(2);st.push(3);
	printf("栈内元素个数：%d\n",st.size());
	printf("栈顶元素：%d\n",st.top());
	printf("出栈顺序：");
	while(!st.empty()){
		printf("%d ",st.top());
		st.pop();
	}
    return 0;
}

程序执行结果如下

栈内元素个数：3
栈顶元素：3
出栈顺序：3 2 1

队列(queue)

  和数据结构中的队列一样，具有先进先出的特点，不允许顺序遍历

• empty()：判断队列容器是否为空
• size()：返回队列容器中的实际元素个数
• front()：返回队头元素
• back()：返回队尾元素
• push(elem)：元素elem入队
• pop()：元素出队

优先队列(priority_queue)

  优先队列是一种具有受限访问操作的存储结构，元素可以以任意顺序进入优先队列。出队顺序将出队列中优先级最高的元素。

 主要成员函数如下：

• empty()：判断优先队列容器是否为空
• size()：返回优先队列容器中的实际元素个数
• top()：返回队头元素
• push(elem)：元素elem入队
• pop()：元素出队