标准C++ 中STL 类的简单介绍

SGI -- Silicon Graphics[Computer System] Inc.硅图[计算机系统]公司.

STL -- Standard Template Library标准模板库。

 

容器的概念

所谓STL容器,即是将最常运用的一些数据结构(data structures)实现出来。

容器是指容纳特定类型对象的集合。根据数据在容器中排列的特性,容器可概分为序列式(sequence)和关联式(associative)两种。

迭代器是一种检查容器内元素并遍历元素的数据类型。它提供类似指针的功能,对容器的内容进行走访。

#include

例如:

std::vector IntVector;

std::vector::iterator first=IntVector.begin();

// begin()得到指向vector开头的Iterator,*first得到开头一个元素的值

std::vector::iterator last=IntVector.end();

// end()得到指向vector结尾的Iterator,*last得到最后一个元素的值

 

序列式容器

所谓序列式容器,其中的元素都可序(ordered),但未必有序(sorted)。数组为C++语言内置的序列容器,STL另外提供vectorlistdequedouble-ended queue)。它们的差别在于访问元素的方式,以及添加或删除元素相关操作的运行代价。

标准库还提供了三种容器适配器(adapter),所谓适配器是根据原始的容器类型所提供的操作,通过定义新的操作接口,来适应基础的容器类型。顺序容器适配器包括stackqueuepriority_queue等序列式容器。其中stackqueue由于只是将deque改头换面而成,技术上被归类为一种配接器(adapter),priority_queue是有优先级管理的队列。

 

一. Vector

1.vector的基本概念

vector是标准C++建议替代C数组的动态数组模型,它维护的是一个连续线性空间。

vector所采用的数据结构非常简单:线性连续空间。它以两个迭代器startfinish分别指向配置得到的连续空间中目前已被使用的范围,并以迭代器end_of_storage指向整块连续空间(含备用空间)的尾端。

vector的实现技术,关键在于其对大小的控制以及重新分配时的数据移动效率。一旦vector原有空间用完,如果客户端每新增一个元素,vector内部就只扩充一个元素的空间,实为不智。因为所谓扩充控件(不论多大),是配置新空间(malloc/拷贝移动数据(memcpy/释放旧空间(free的大工程,时间成本很高,应该采用某种未雨绸缪的空间配置策略。

注意,所谓动态增加大小,并不是在原空间之后接续新空间(因为无法保证之后尚有可供配置的空间),而是每次再分配原大小两倍的内存空间。因此,对vector的任何操作,一旦引起控件重新配置,指向原vector的所有迭代器就都失效了。

由于vector维护的是一个连续线性空间,因此vector迭代器具备普通指针的功能,支持随机存取,即vector提供的是Random Access Iterators

2.向量类模板std::vector的成员函数

#include

std::vector vec;

std::vector vec(size);

std::vector vec(size,value);

std::vector vec(myvector);

std::vector vec(first,last);

Operators==!=<=>=<>[]

assign(first,last)用迭代器first,last所指定的元素取代向量元素

assign(num,val)valnum份副本取代向量元素

at(n)等价于[]运算符返回向量中位置n的元素因其有越界检查故比[]索引访问安全

front()返回向量中第一个元素的引用

back()返回向量中最后一个元素的引用

begin()返回向量中第一个元素的迭代器

end()返回向量中最后一个元素的下一个迭代器(仅作结束游标,不可解引用)

max_size()返回向量类型的最大容量2^30-1=0x3FFFFFFF

capacity()返回向量当前开辟的空间大小<= max_size与向量的动态内存分配策略相关

size()返回向量中现有元素的个数<=capacity

clear()删除向量中所有元素

empty()如果向量为空返回真

erase(start,end)删除迭代器start end所指定范围内的元素

erase(i)删除迭代器i所指向的元素

   erase()返回指向删除的最后一个元素的下一位置的迭代器

insert(i,x)x插入到迭代器i所指定的位置之前

insert(i,n,x)xn份副本插入到迭代器i所指定的位置之前

insert(i,start,end)把迭代器startend所指定的范围内的值插入到迭代器i所指定的位置之前

push_back(x)x推入(插入到向量的尾部

pop_back():弹出(删除)向量最后一个元素

rbegin()返回一个反向迭代器该迭代器指向的元素越过了向量中的最后一个元素

rend()返回一个反向迭代器该迭代器指向向量中第一个元素

reverse()反转元素顺序

resize(n,x)把向量的大小改为n,新元素的初值赋为x

swap(vectorref)交换2个向量的内容

3.动态字符串类std::string

string是标准C++建议替代C字符串(以零结束的字符数组)的动态字符串模型,可以简单的看做vector

#include

std::string str1;

std::string str3(str2);

std::string str2("this is a string");

以下未列出与vector相同的通用操作。

Operators++=

length()size()函数功能相同

data()取得字符串指针

c_str()取得C风格字符串指针

c_str()的流程是先调用terminate(),然后再返回data()。因此如果你对效率要求比较高,而且你的处理又不一定需要以/0的方式结束,最好选择data()。但是对于一般的C函数中,需要以const char*为输入参数,要使用c_str()函数。

operator=赋值操作符

append()追加字符串

replace()替换字符

copy()拷贝自己的num个字符到str从索引index开始

find():在字符串中查找指定字符,返回基于0的索引号

rfind()反向查找

find_first_of()查找包含子串中的任何字符返回第一个位置

find_first_not_of()查找不包含子串中的任何字符返回第一个位置

find_last_of()查找包含子串中的任何字符返回最后一个位置

find_last_not_of()查找不包含子串中的任何字符返回最后一个位置

substr(n1,len)得到字符串从n1开始的长度为len的子串

比较字符串(支持所有的关系运算符)

compare比较字符串

operator+ 字符串衔接

operator+=增加操作符

operator==判断是否相等

operator!=判断是否不等于

operator<判断是否小于

operator>>从输入流中读入字符串

operator<<字符串写入输出流

getline从输入流中读入一行

 

二.list

1.list的基本概念

相对于vector的连续线性空间,list就显得复杂许多,与向量(vector)相比,它允许快速的插入和删除,且每次插入或删除一个元素,就配置或释放一个元素空间。因此,list对于空间的运用绝对的精准,一点也不浪费。而且,对于任何位置的元素插入或元素移除,list永远是常数时间。

list不再能够像vector那样以普通指针作为迭代器,因为其节点不保证在储存空间中连续存在。list迭代器必须有能力指向list的节点,并有能力进行正确的递增、递减、取值、成员存取等操作。所谓“list迭代器正确的递增、递减、取值、成员取用”操作是指,递增时指向下一个节点,递减时指向上一个节点,取值时取的是节点的数据值,成员取用时取用的是节点的成员。

list不仅是一个双向链表,而其还是一个环状双向链表。所以它只需要一个指针,便可以完整实现整个链表。由于list是一个双向链表(double linked-list),迭代器必须具备前移、后移的能力,所以list提供的是Bidirectional Iterators。

list有一个重要性质:插入操作(insert)和合并操作(splice)都不会造成原有的list迭代器失效。这在vector是不成立的,因为vector的插入操作可能造成记忆体重新配置,导致原有的迭代器全部失效。甚至list的元素删除操作(erase)也只有“指向被删除元素”的那个迭代器失效,其他迭代器不受任何影响。

2.链表类模板std::list成员函数

#include

std::list lst;

std::list lst(size);

std::list lst(size,value);

std::list lst(mylist);

std::list<type> lst(first,last);

以下未列出与vector相同的通用操作。

push_front(x)把元素x推入(插入)到链表头部

pop_front():弹出(删除)链表首元素

merge(listref)listref所引用的链表中的所有元素插入到链表中可指定合并规则

splice():把lst连接到pos的位置

remove(val)删除链表中所有值为val的元素

remove_if(pred)删除链表中谓词pred为真的元素

谓词即为元素存储和检索的描述std::less<>std::greater<>那么就按降序/升序排列你也可以定义自己的谓词

sort()根据默认的谓词对链表排序

sort(pred)根据给定的谓词对链表排序

unique()删除链表中所有重复的元素

unique(pred)根据谓词pred删除所有重复的元素使链表中没有重复元素

注意vectordeque支持随机访问list不支持随机访问因此不支持[]访问

 

三.deque

1.deque的基本概念

vector是单向开口的连续线性空间,deque则是以中双向开口的连续线性空间。所谓双向开口,意思是可以在头尾两端分别做元素的插入和删除操作。从技术的角度而言,vector当然也可以在头尾两端进行操作,但是其头部操作效率奇差、令人无法接受。

deque和vector的最大差异,一在于deque允许于常数时间内对头端进行元素的插入或移除操作,二在于deque没有所谓容量(capacity)观念,因为它是动态地以分段连续空间组合而成,随时可以增加一段新的空间并链接起来。换句话说,像vector那样“因旧空间不足而重新配置一块更大空间,然后复制元素,再释放旧空间”这样的事情在deque中是不会发生的。也因此,deque没有必要提供所谓的空间预留(reserved)功能。

虽然deque也提供Random Access Iterator,但它的迭代器并不是普通指针,其复杂度和vector不可同日而语,这当然涉及到各个运算层面。因此,除非必要,我们应尽可能选择使用vector而非deque。对deque进行的排序操作,为了最高效率,可将deque先完整复制到一个vector身上,将vector排序后(利用STL的sort算法),再复制回deque。

deque是由一段一段的定量连续空间构成。一旦有必要在deque的前端或尾端增加新空间,便配置一段定量的连续空间,串接在整个deque的头端或尾端。deque的最大任务,便是在这些分段的定量连续空间上,维护其整体连续的假象,并提供随机存取的接口。避开了“重新配置、复制、释放”的轮回,代价则是复杂的迭代器架构。

2.双端队列类模板std::deque成员函数

#include

std::deque deq;

std::deque deq(size);

std::deque deq(size,value);

std::deque deq(mydeque);

std::deque deq(first,last);

其成员函数如下:

Operators[]用来访问双向队列中单个的元素

front():返回第一个元素的引用

push_front(x)把元素x推入(插入)到双向队列的头部

pop_front():弹出(删除)双向队列的第一个元素

back()返回最后一个元素的引用

push_back(x)把元素x推入(插入)到双向队列的尾部

 

pop_back():弹出(删除)双向队列的最后一个元素

 

四.基于deque的顺序容器适配器stack、queue(priority_queue)

stack

1.stack的基本概念

stack是一种后进先出(First In Last Out,FILO)的数据结构,它只有一个出口。stack允许新增元素、移除元素、取得最顶端元素。但除了最顶端外,没有任何其他方法可以存取stack的其他元素,换言之,stack不允许随机访问。

STL以deque作为stack的底层结构,对deque封闭期头端开口,稍作修改便形成了stack。   

将元素插入stack的操作称为push,将元素弹出stack的操作称为pop。stack所有元素的进出都必须符合“后进先出”的条件,只有stack顶端的元素,才有机会被外界取用。stack不提供走访功能,也不提供迭代器。

2.容器适配器堆栈类std::stack成员函数

#include

stack实现后进先出的操作

std::stack stk;

type为堆栈操作的数据类型

container为实现堆栈所用的容器类型,默认基于deque,还可以std::vectorstd::list

例如std::stack> IntStack;

其成员函数如下:

top()返回顶端元素的引用

push(x):将元素压入栈(顶)

pop()弹出(删除)顶端元素

 

queue

1.queue的基本概念

queue是一种先进先出(First In First Out,FIFO)的数据结构,它有两个出口。queue允许新增元素、移除元素、从最底端加入元素、取得最顶端元素。但除了最底端可以加入、最顶端可以取出,没有任何其他方法可以存取queue的其他元素。换言之,queue不支持随机访问。

STL以deque作为queue的底层结构,对deque封闭其底端的出口和前端的入口,稍作修改便形成了queue。

2.容器适配器队列类std::queue成员函数

#include

queue实现先进先出的操作

std::queue que;

type为队列操作的数据类型

container为实现队列所用的容器类型,只能为提供了push_front操作的std::dequestd::list,默认基于std::deque

其成员函数如下:

front()返回队首元素的引用

back()返回队尾元素的引用

push(x)把元素x推入(插入)到队尾

pop():队首元素出列(弹出(删除)队首元素

 

priority_queue

1.priority_queue的基本概念

priority_queue为优先级队列,它允许用户为队列中存储的元素设置优先级。这种队列不是直接将新元素放置在队列尾部,而是放置在比它优先级低的元素前面,即提供了一种插队策略。标准库默认使用<操作符来确定他们之间的优先级关系。即权重大的排在队首。

使用priority_queue时,包含文件。

2.容器适配器队列类std::priority_queue成员函数

#include

priority_queue实现先进先出的操作

std::priority_queue pri_que;

type为队列操作的数据类型

container为实现队列所用的容器类型可以为std::vector,std::deque默认基于deque

comp为排队策略,默认为std::less<>,即插到小于它的元素前

例如std::priority_queue,std::greater > IntPriQue;

其成员函数如下:

top()返回队首优先级最高元素的引用

push(x):将元素推入(按插队策略插排)队列(尾部)

pop()弹出(删除)队首优先级最高元素

 

关联式容器

所谓关联式容器,概念上类似关联式数据库(实际上则简单许多):每项数据(元素)包含一个键值(key)和一个实值(value)。当元素被插入到关联式容器中时,容器内部数据结构(可能是RB-tree,也可能是hash-table)便依照其键值大小,以某种特定规则将这个元素放置于适当位置。关联式容器没有所谓头尾(只有最大元素和最小元素),所以不会有push_back()push_front()pop_back()pop_front()begin()end()这样的操作。

一般而言,关联式容器的内部结构是一个balanced binary tree(平衡二叉树),以便获得良好的搜索效率。balanced binary tree有很多种类型,包括AVL-treeRB-treeAA-tree,其中广泛运用于STL的是RB-tree(红黑树)。

标准的STL关联式容器分为set(集合)和map(映射类)两大类,以及这两大类的衍生体multiset(多键集合)和multimap(多键映射表)。这些容器的底层机制均以RB-tree完成(红黑树)。RB-tree也是一个独立容器,但并不开放给外界使用。

此外,SGI STL还提供了一个不在标准规格之列的关联式容器:hash table(散列表,哈希表),以及以此hash table为底层机制而完成的hash_set(散列集合)、hash_map(散列映射表)、hash_multiset(散列多键集合)、hash_multimap(散列多键映射表)。

 

map

关联式容器std::map成员函数

#include

map建立key-value映射

std::map mp;

std::map mp;

key为键值

value为映射值

comp可选,为键值对存放策略,例如可为std::less<>,键值映射对将按键值从小到大存储

其成员函数如下:

count()返回map中键值等于key的元素的个数

equal_range()函数返回两个迭代器——一个指向第一个键值为key的元素另一个指向最后一个键值为key的元素

erase(i)删除迭代器所指位置的元素键值对

lower_bound()返回一个迭代器指向map中键值>=key的第一个元素

upper_bound():函数返回一个迭代器,指向map中键值>key的第一个元素

find(key):返回键值为key的键值对迭代器,如果没有该映射则返回结束游标end()

注意map[]操作符,当试图对于不存在的key进行引用时,将新建键值对,值为空。

 

通用算法(对以上STL均适用)

#include

1.非修正序列算法:

2.修正序列算法:

3.排序算法:

4.数值算法:

 

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