c++ primer读书笔记-第十一章 泛型算法
c++ primer读书笔记-第十一章 泛型算法
标准库没有给容器添加大量的功能函数，而是选择提供一组算法，这些算法大都不依赖特定的容器类型，是“泛型”的，可作用在不同类型的容器和不同类型的元素上。例如排序，或者查找某个特定的元素，或者查找最大或最小的元素，等等。
大多数算法是通过遍历由两个迭代器标记的一段元素来实现其功能。典型情况下，算法在遍历一段元素范围时，操纵其中的每一个元素。算法通过迭代器访问元素，这些迭代器标记了要遍历的元素范围。
概述
算法如何工作
每个泛型算法的实现都独立于单独的容器。这些算法还是大而不全的，并且不依赖于容器存储的元素类型。为了知道算法如何工作，让我们深入了解 find 操作。该操作的任务是在一个未排序的元素集合中查找特定的元素。
find是基于迭代器的,所以多种容器类型都可以使用:
vector::const_iterator result =
find(vec.begin(), vec.end(), search_value);
list::const_iterator result =
find(lst.begin(), lst.end(), search_value);
由于指针的行为与作用在内置数组上的迭代器一样，因此也可以使用 find 来搜索数组：
int ia[6] = {27, 210, 12, 47, 109, 83};
int search_value = 83;
int *result = find(ia, ia + 6, search_value);
从概念上看，find 必须包含以下步骤：
1. 顺序检查每个元素。
2. 如果当前元素等于要查找的值，那么返回指向该元素的迭代器。
3. 否则，检查下一个元素，重复步骤 2，直到找到这个值，或者检查完所有的元素为止。
4. 如果已经到达集合末尾，而且还未找到该值，则返回某个值，指明要查找的值在这个集合中不存在。
标准算法固有地独立于类型
find:这种算法只在一点上隐式地依赖元素类型：必须能够对元素做比较运算。
该算法的明确要求如下：
1. 需要某种遍历集合的方式：能够从一个元素向前移到下一个元素。
2. 必须能够知道是否到达了集合的末尾。
3. 必须能够对容器中的每一个元素与被查找的元素进行比较。
4. 需要一个类型指出元素在容器中的位置，或者表示找不到该元素。
迭代器将算法和容器绑定起来
泛型算法用迭代器来解决第一个要求：遍历容器。所有迭代器都支持自增操作符，从一个元素定位下一个元素，并提供解引用操作符访问元素的值。
除了 第 11.3.5 节将介绍的一个例外情况之外，迭代器还支持相等和不等操作符，用于判断两个迭代是否相等。
每个算法都需要使用（至少）两个迭代器指出该算法操纵的元素范围。第一个迭代器指向第一个元素，而第二个迭代器则指向最后一个元素的下一位置(超出末端迭代器或哨兵)。
用超出末端迭代器还可以很方便地处理第四个要求，只要以此迭代器为返回值，即可表示没有找到要查找的元素。
第三个要求——元素值的比较，有两种解决方法。默认情况下，find 操作要元素类型定义了相等（ == ）操作符，算法使用这个操作符比较元素。如果元素类型不支持相等（ == ）操作符，或者打算用不同的测试方法来比较元素，则可使用第二个版本的 find 函数。这个版本需要一个额外的参数：实现元素比较的函数名字。
算法永不执行容器提供的操作
泛型算法本身从不执行容器操作，只是单独依赖迭代器和迭代器操作实现。算法基于迭代器及其操作实现，而并非基于容器操作。但本质上暗示了：使用“普通”的迭代器时，算法从不修改基础容器的大小。正如我们所看到的，算法也许会改变存储在容器中的元素的值，也许会在容器内移动元素，但是，算法从不直接添加或删除元素。
初窥算法
使用泛型算法必须包含 algorithm 头文件：
#include
标准库还定义了一组泛化的算术算法:
#include
只读算法
多算法只会读取其输入范围内的元素，而不会写这些元素。find 就是一个这样的算法。另一个简单的只读算法是 accumulate，该算法在 numeric 头文件中定义
// sum the elements in vec starting the summation with the value 42
int sum = accumulate(vec.begin(), vec.end(), 42);
accumulate 带有三个形参。头两个形参指定要累加的元素范围。第三个形参则是累加的初值。
用于指定累加起始值的第三个实参是必要的，因为 accumulate 对将要累加的元素类型一无所知,这个事实有两层含义:首先，调用该函数时必须传递一个起始值，否则，accumulate 将不知道使用什么起始值。其次，容器内的元素类型必须与第三个实参的类型匹配，或者可转换为第三个实参的类型。在 accumulate 内部，第三个实参用作累加的起点；容器内的元素按顺序连续累加到总和之中。
考虑下面的例子，可以使用 accumulate 把 string 型的 vector 容器中的
元素连接起来：
// concatenate elements from v and store in sum
string sum = accumulate(v.begin(), v.end(), string(""));
注意：程序显式地创建了一个 string 对象，用该函数调用的第三个实参。传递一个字符串字面值，将会导致编译时错误。
find_first_of 的使用
这个算法带有两对迭代器参数来标记两段元素范围，在第一段范围内查找与第二段范围中任意元素匹配的元素，然后返回一个迭代器，指向第一个匹配的元素。如果找不到元素，则返回第一个范围的 end 迭代器。
list::iterator it = roster1.begin();
it = find_first_of(it, roster1.end(),
roster2.begin(), roster2.end());
写容器元素的算法
写入输入序列的元素
写入到输入序列的算法本质上是安全的——只会写入与指定输入范围数量相同的元素。
一个简单算法是 fill 函数:
fill(vec.begin(), vec.end(), 0); // reset each element to 0
// set subsequence of the range to 10
fill(vec.begin(), vec.begin() + vec.size()/2, 10);
不检查写入操作的算法
fill_n 函数带有的参数包括：一个迭代器、一个计数器以及一个值。该函数从迭代器指向的元素开始，将指定数量的元素设置为给定的值。
初学者常犯的错误的是：在没有元素的空容器上调用 fill_n 函数（或者类似的写元素算法）。
vector vec; // empty vector
// disaster: attempts to write to 10 (nonexistent) element s in vec
fill_n(vec.begin(), 10, 0);
对指定数目的元素做写入运算，或者写到目标迭代器的算法，都要检查目标的大小是否足以存储要写入的元素。
引入 back_inserter
确保算法有足够的元素存储输出数据的一种方法是使用插入迭代器。插入迭
代器是可以给基础容器添加元素的迭代器,用插入迭代器赋值时，则会在容器中添加一个新元素，其值等于赋值运算的右操作数的值。
back_insert_iterator back_inserter (Container& x);
back_inserter是一个函数,返回一个back_insert_iterator对象.
back_insert_iterator& operator= (const typename Container::value_type& value)
{ container->push_back(value); return *this; }
back_insert_iterator重新定义了赋值运算符(=):调用push_back给容器尾部插入元素(即等号的右值).
使用 back_inserter 可以生成一个指向 fill_n 写入目标的迭代器：
vector vec;
fill_n (back_inserter(vec), 10, 0); // appends 10 elements to vec
现在，fill_n 函数每写入一个值，都会通过 back_inserter 生成的插入迭代器实现。效果相当于在 vec 上调用 push_back，在 vec 末尾添加 10 个元素，每个元素的值都是 0。
写入到目标迭代器的算法
第三类算法向目标迭代器写入未知个数的元素。
copy 带有三个迭代器参数：头两个指定输入范围，第三个则指向目标序列的一个元素。
//copy elements from ilst into ivec
vector ivec; // empty vector
copy (ilst.begin(), ilst.end(), back_inserter(ivec));
算法的 _copy 版本
有些算法提供所谓的“复制（copying）”版本。这些算法对输入序列的元素做出处理，但不修改原来的元素，而是创建一个新序列存储元素的处理结果。
replace 算法对输入序列做读写操作，将序列中特定的值替换为新的值。该算法带有四个形参：一对指定输入范围的迭代器和两个值。每一个等于第一值的元素替换成第二个值。
//replace any element with value of 0 by 42
replace(ilst.begin(), ilst.end(), 0, 42);
对容器元素重新排序的算法
假设我们要分析一组儿童故事中所使用的单词。例如，可能想知道它们使用了多少个由六个或以上字母组成的单词。每个单词只统计一次，不考虑它出现的次数，也不考虑它是否在多个故事中出现。要求以长度的大小输出这些单词，对于同样长的单词，则以字典顺序输出。
假定每本书的文本已经读入并保存在一个 string 类型的 vector 对象中，它的名字是words。现在，应该怎么解决包括统计单词出现次数这个问题呢？为了解此问题，要做下面几项操作：
1. 去掉所有重复的单词。
2. 按单词的长度排序。
3. 统计长度等于或超过 6 个字符的单词个数。
去除重复
1排序
// sort words alphabetically so we can find the duplicates
sort(words.begin(), words.end());
2去重复
vector::iterator end_unique =
unique(words.begin(), words.end());
words.erase(end_unique, words.end());
//用容器的erase函数删除重复
单词按次序排列后，现在的问题是：让故事中所用到的每个单词都只保留一个副本。unique 算法很适合用于解决这个问题，它带有两个指定元素范围的迭代器参数。 该算法删除相邻的重复元素，然后重新排列输入范围内的元素，并且返回一个迭代器，表示无重复的值范围的结束。
用 unique“删除”了相邻的重复值。给“删除”加上引号是因为 unique实际上并没有删除任何元素，而是将无重复的元素复制到序列的前端，从而覆盖相邻的重复元素。unique 返回的迭代器指向超出无重复的元素范围末端的下一位置。
使用容器操作删除元素
算法不直接修改容器的大小。如果需要添加或删除元素，则必须使用容器操作,在本例中调用 erase 实现该功能。
定义需要的实用函数
配套的实用函数，称为谓词。谓词是做某些检测的函数，返回用于条件判断的类型，指出条件是否成立。
为了实现排序，必须定义一个谓词函数来实现两个 string对象的比较，并返回一个 bool 值，指出第一个字符串是否比第二个短：
// comparison function to be used to sort by word length
bool isShorter(const string &s1, const string &s2)
{
return s1.size() < s2.size();
}
另一个所需的谓词函数将判断给出的 string 对象的长度是否不小于 6：
// determine whether a length of a given word is 6 or more
bool GT6(const string &s)
{
return s.size() >= 6;
}
排序算法
标准库定义了四种不同的排序算法，上面只使用了最简单的 sort 算法，使 words 按字典次序排列。除了 sort 之外，标准库还定义了 stable_sort 算法，stable_sort 保留相等元素的原始相对位置。
sort 和 stable_sort 都是重载函数。其中一个版本使用元素类型提供的小
于（<）操作符实现比较。
第二个重载版本带有第三个形参：比较元素所使用的谓词函数的名字。
// sort words by size, but maintain alphabetic order for words of
the same size
stable_sort(words.begin(), words.end(), isShorter);
统计长度不小于 6 的单词
vector::size_type wc =
count_if(words.begin(), words.end(), GT6);
执行 count_if 时，首先读取它的头两个实参所标记的范围内的元素。每读出一个元素，就将它传递给第三个实参表示的谓词函数。
再谈迭代器
C++ 语言还提供了另外三种迭代器：
• 插入迭代器：这类迭代器与容器绑定在一起，实现在容器中插入元素的功能。
• iostream 迭代器：这类迭代器可与输入或输出流绑定在一起，用于迭代遍历所关联的 IO 流。
• 反向迭代器：这类迭代器实现向后遍历，而不是向前遍历。所有容器类型都定义了自己的 reverse_iterator 类型，由 rbegin 和 rend 成员函数返回。
插入迭代器
C++ 语言提供了三种插入器，其差别在于插入元素的位置不同。
• back_inserter，创建使用 push_back 实现插入的迭代器。
• front_inserter，使用 push_front 实现插入。
• inserter，使用 insert 实现插入操作。除了所关联的容器外，inserter
还带有第二实参：指向插入起始位置的迭代器
front_inserter 需要使用 push_front
front_inserter 的操作类似于 back_inserter：该函数将创建一个迭代器，调用它所关联的基础容器的push_front 成员函数代替赋值操作。
inserter 将产生在指定位置实现插入的迭代器
inserter 适配器提供更普通的插入形式。这种适配器带有两个实参：所关联的容器和指示起始插入位置的迭代器。
list::iterator it =
find (ilst.begin(), ilst.end(), 42);
replace_copy (ivec.begin(), ivec.end(),
inserter (ilst, it), 100, 0);
iostream 迭代器
虽然 iostream 类型不是容器，但标准库同样提供了在 iostream 对象上使用的迭代器：istream_iterator 用于读取输入流，而 ostream_iterator 则用于写输出流（表11.1）。这些迭代器将它们所对应的流视为特定类型的元素序列。使用流迭代器时，可以用泛型算法从流对象中读数据（或将数据写到流对象中）。
流迭代器只定义了最基本的迭代器操作：自增、解引用和赋值。此外，可比较两个 istream 迭代器是否相等（或不等）。而 ostream 迭代器则不提供比较运算（表 11.2）。
流迭代器都是类模板：任何已定义输入操作符（>> 操作符）的类型都可以定义istream_iterator。类似地，任何已定义输出操作符（<< 操作符）的类型也可定义 ostream_iterator。
在创建流迭代器时，必须指定迭代器所读写的对象类型：
istream_iterator cin_it(cin); // reads ints1 from cin
istream_iterator end_of_stream; // end iterator value
// writes Sales_items from the ofstream named outfile
// each element is followed by a space
ofstream outfile;
ostream_iterator output(outfile, " ");
ostream_iterator 对象必须与特定的流绑定在一起。在创建 istream_iterator 时，可直接将它绑定到一个流上。另一种方法是在创建时不提供实参，则该迭代器指向超出末端位置。ostream_iterator 不提供超出末端迭代器。
在创建 ostream_iterator对象时，可提供第二个（可选的）实参，指定将元素写入输出流时使用的分隔符。分隔符必须是 C 风格字符串。因为它是 C 风格字符串，所以必须以空字符结束；否则，其行为将是未定义的。
istream_iterator 对象上的操作
构造与流绑定在一起的 istream_iterator 对象时将对迭代器定位，以便第一次对该迭代器进行解引用时即可从流中读取第一个值。
考虑下面例子，可使用 istream_iterator 对象将标准输入读到 vector 对象中。
istream_iterator in_iter(cin); // read ints from cin
istream_iterator eof; // istream "end" iterator
while (in_iter != eof)
vec.push_back(*in_iter++);
其中 eof 迭代器定义为空的 istream_iterator 对象，用作结束迭代器。
更有趣的是可以这样重写程序：
istream_iterator in_iter(cin); // read ints from cin
istream_iterator eof; // istream "end" iterator
vector vec(in_iter, eof); // construct vec from an iterator range
用一对标记元素范围的迭代器构造 vec 对象。这些迭代器是 istream_iterator 对象，这就意味着这段范围的元素是通过读取所关联的流来获得的。这个构造函数的效果是读 cin，直到到达文件结束或输入的不是 int 型数值为止。
ostream_iterator 对象的使用
可使用 ostream_iterator 对象将一个值序列写入流中:
ostream_iterator out_iter(cout, "\n");
istream_iterator in_iter(cin), eof;
while (in_iter != eof)
*out_iter++ = *in_iter++;
这个程序读 cin，并将每个读入的值依次写到 cout 中不同的行中(因为ostream_iterator对象的构造函数使用了分隔符’\n’)。
在类类型上使用 istream_iterator
提供了输入操作符（>>）的任何类型都可以创建 istream_iterator 对象。
istream_iterator item_iter(cin);
流迭代器的限制
• 不可能从 ostream_iterator 对象读入，也不可能写到 istream_iterator 对象中。
• 一旦给 ostream_iterator对象赋了一个值，写入就提交了。赋值后，没有办法再改变这个值。此外，ostream_iterator 对象中每个不同的值都只能正好输出一次。
• ostream_iterator 没有 -> 操作符。
与算法一起使用流迭代器
算法是基于迭代器操作实现的的。
istream_iterator cin_it(cin); // reads ints from cin
istream_iterator end_of_stream; // end iterator value
// initialize vec from the standard input:
vector vec(cin_it, end_of_stream);
sort(vec.begin(), vec.end());
ostream_iterator output(cout, " ");
unique_copy(vec.begin(), vec.end(), output);
如果程序的输入是：
23 109 45 89 6 34 12 90 34 23 56 23 8 89 23
输出则是：
6 8 12 23 34 45 56 89 90 109
反向迭代器
反向迭代器是一种反向遍历容器的迭代器。
反向迭代器需要使用自减操作符
标准容器上的迭代器既支持自增运算，也支持自减运算。但是，流迭代器却不然，由于不能反向遍历流，因此流迭代器不能创建反向迭代器。
反向迭代器与其他迭代器之间的关系
输出 line 中的第一个单词：
string::iterator comma = find(line.begin(), line.end(), ',');
cout << string(line.begin(), comma) << endl;
如果在 line 中有一个逗号，则 comma 指向这个逗号；否则，comma 的值为 line.end()。
输出列表中最后一个单词，可使用反向迭代器：
string::reverse_iterator rcomma =
find(line.rbegin(), line.rend(), ',');
直接尝试输出：
cout << string(line.rbegin(), rcomma) << endl;
会产生假的输出。例如，如果输入是：
FIRST,MIDDLE,LAST
则将输出 TSAL
使用反向迭代器时，以逆序从后向前处理 string 对象。为了得到正确的输出，必须将反向迭代器 line.rbegin() 和 rcomma 转换为从前向后移动的普通迭代器。只需调用所有反向迭代器类型都提供的成员函数 base 转换 rcomma 即可：
改为：
// ok: get a forward iterator and read to end of line
cout << string(rcomma.base(), line.end()) << endl;
const 迭代器
在第 11.1 节使用 find 的程序中，我们将 result 定义为 const_iterator 类型。这样做是因为我们不希望使用这个迭代器来修改容器中的元素。
另一方面，虽然第 11.2.1 节的程序也不打算改变容器内的任何元素，但是它却使用了普通的非 const 迭代器来保存 find_first_of 的返回值。这两种处理存在细微的差别，值得解释一下。
算法要求用于指定范围的两个迭代器必须具有完全一样的类型。roster1.end() 返回的迭代器依赖于 roster1 的类型。如果该容器是 const 对象，则返回的迭代器是 const_iterator 类型；否则，就是普通的 iterator 类型。
原因是，在第二个例子中，程序将迭代器用作 find_first_of 的实参：
find_first_of(it, roster1.end(),
roster2.begin(), roster2.end()) ;
该函数调用的输入范围由 it 和调用 roster1.end() 返回的迭代器指定。算法要求用于指定范围的两个迭代器必须具有完全一样的类型。roster1.end() 返回的迭代器依赖于 roster1 的类型。如果该容器是 const 对象，则返回的迭代器是 const_iterator 类型；否则，就是普通的 iterator 类型。在这个程序中，roster1 不是 const 对象，因而 end 返回的只是一个普通的迭代器。
五种迭代器
算法要求的迭代器操作分为五个类别:
- 输入迭代器 可用于读取容器中的元素
o 相等和不等操作符（==，!=），比较两个迭代器。
o 前置和后置的自增运算（++），使迭代器向前递进指向下一个元素。
o 用于读取元素的解引用操作符（*），此操作符只能出现在赋值运算的右操作数上。
o 箭头操作符（->），这是 (*it).member 的同义语，也就是说，对迭代器进行解引用来获取其所关联的对象的成员 - 输出迭代器
输出迭代器可用于向容器写入元素
o 前置和后置的自增运算（++），使迭代器向前递进指向下一个元素。
o 解引用操作符（*），只能出现在赋值运算的左操作数上。给解引用的输出迭代器赋值，将对该迭代器所指向的元素做写入操作。 - 前向迭代器 用于读写指定的容器。这类迭代器只会以一个方向遍历序列。
- 双向迭代器 从两个方向读写容器。需要使用双向迭代器的泛型算法包括 reverse。
- 随机访问迭代器 提供在常量时间内访问容器任意位置的功能。
支持下面的操作：
o 关系操作符 <、<=、> 和 >=，比较两个迭代器的相对位置。
o 迭代器与整型数值 n 之间的加法和减法操作符 +、+=、- 和 -=，结果是迭代器在容器中向前（或退回）n 个元素。
o 两个迭代器之间的减法操作符（–），得到两个迭代器间的距离。
o 下标操作符 iter[n]，这是 *(iter + n) 的同义词。
需要随机访问迭代器的泛型算法包括 sort 算法。vector、deque 和 string 迭代器是随机访问迭代器，用作访问内置数组元素的指针也是随机访问迭代器。
map、set 和 list 类型提供双向迭代器，而 string、vector 和 deque 容器上定义的迭代器都是随机访问迭代器都是随机访问迭代器，用作访问内置数组元素的指针也是随机访问迭代器。
泛型算法的结构
算法的命名规范
第一种模式包括测试输入范围内元素的算法，第二种模式则应用于对输入范围内元素重新排序的算法。
区别带有一个值或一个谓词函数参数的算法版本
很多算法通过检查其输入范围内的元素实现其功能。这些算法通常要用到标准关系操作符：== 或 <。其中的大部分算法会提供第二个版本的函数，允许程序员提供比较或测试函数取代操作符的使用。
sort (beg, end); // use < operator to sort the elements
sort (beg, end, comp); // use function named comp to sort the elements
区别是否实现复制的算法版本
无论算法是否检查它的元素值，都可能重新排列输入范围内的元素。在默认情况下，这些算法将重新排列的元素写回其输入范围。标准库也为这些算法提供另外命名的版本，将元素写到指定的输出目标。此版本的算法在名字中添加了 _copy 后缀：
reverse(beg, end);
reverse_copy(beg, end, dest);
容器特有的算法
list 容器上的迭代器是双向的，而不是随机访问类型，因此，在此容器上不能使用需要随机访问迭代器的算法。
list 容器特有的算法与其泛型算法版本之间有两个至关重要的差别。
其中一个差别是 remove 和 unique 的 list 版本*修改了其关联的基础容器：真正删除了指定的元素*。
另一个差别是 list 容器提供的 merge 和 splice 运算会破坏它们的实参。使用 merge的泛型算法版本时，合并的序列将写入目标迭代器指向的对象，而它的两个输入序列保持不变。但是，使用 list 容器的 merge 成员函数时，则会破坏它的实参 list 对象——当实参对象的元素合并到调用merge 函数的 list 对象时，实参对象的元素被移出并删除。
小结
C++ 标准化过程：创建和扩展了标准库。容器和算法库是标准库的基础。这些算法具有相同的结构。
算法与类型无关：它们通常在一个元素序列上操作，这些元素可以存储在标准库容器类型、内置数组甚至是生成的序列（例如读写流所生成的序列）上
代器可通过其所支持的操作来分类。标准库定义了五种迭代器类别：输入、输出、前向、双向和随机访问迭代器。
正如迭代器根据操作来分类一样，算法的迭代器形参也通过其所要求的迭代器操作来分类。只需要读取其序列的算法通常只要求输入迭代器的操作。而写目标迭代器的算法则通常只要求输出迭代器的操作，依此类推。