【C++入门】C++ STL概述

C++STL概述

一、STL基本概念

(1)泛型程序设计

• C++中有两个方面体现重用：

  • 1.面向对象的思想：继承和多态，标准类库
  • 2.泛型程序设计(generic programming) 的思想： 模板机制，以及标准模板库 STL

• 泛型程序设计

  简单地说就是使用模板的程序设计法。
  将一些常用的数据结构（比如链表，数组，二叉树）和算法（比如排序，查找）写成模板，以后则不论数据结构里放的是什么对象，算法针对什么样的对象，则都不必重新实现数据结构，重新编写算法。

  • 标准模板库 (Standard Template Library):
    一些常用数据结构和算法的模板的集合。有了STL，不必再写大多的标准数据结构和算法，并且可获得非常高的性能。

(2)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：可用于依次存取容器中元素，类似于指针
• 算法：用来操作容器中的元素的函数模板

二、容器概述

对象被插入容器中时，被插入的是对象的一个复制品。许多算法，比如排序，查找，要求对容器中的元素进行比较，有的容器本身就是排序的，所以，放入容器的对象所属的类，往往还应该重载 == 和 < 运算符。

(1)顺序容器

容器并非排序的，元素的插入位置同元素的值无关。有vector,deque,list 三种

• vector
  • vector 头文件
  • 动态数组。元素在内存连续存放。随机存取任何元素都能在常数时间完成。在尾端增删元素具有较佳的性能(大部分情况下是常数时间）。
• deque
  • deque 头文件
  • 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
  • list 头文件
  • 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完成。不支持随机存取。

(2)关联容器

1. 元素是排序的 .
2. 插入任何元素，都按相应的排序规则来确定其位置 .
3. 在查找时具有非常好的性能 .
4. 通常以平衡二叉树方式实现，插入和检索的时间都是 O(log(N)).

• set/multiset
  • set/multiset 头文件
  • set 即集合。set中不允许相同元素，multiset中允许存在相同的元素。
• map/multimap
  • map/multimap 头文件
  • map与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。

(3)容器适配器

• stack
  • stack :头文件
  • 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
  • queue 头文件
  • 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
  • priority_queue 头文件
  • 优先级队列。最高优先级元素总是第一个出列

(4)顺序容器和关联容器中都有的成员函数

• 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的位置的迭代器
• 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

(5)顺序容器的常用成员函数

• 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

三、迭代器

(1)迭代器基本概念

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

• 迭代器定义

  容器类名::iterator 变量名;
  

  容器类名::const_iterator 变量名;
  

• 迭代器访问

  * 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。如果迭代器到达了容器中的最后一个元素的后面，此时再使用它，就会出错，类似于使用NULL或未初始化的指针一样。

(2)迭代器示例

#include 
#include 
using namespace std;
int main()
{
     
    vector<int> v; //一个存放int元素的数组，一开始里面没有元素
    v.push_back(1);
    v.push_back(2);
    v.push_back(3);
    v.push_back(4);
    vector<int>::const_iterator i; //常量迭代器
    for (i = v.begin(); i != v.end(); ++i)
        cout << *i << ",";
    cout << endl;
    vector<int>::reverse_iterator r; //反向迭代器
    for (r = v.rbegin(); r != v.rend(); r++)
        cout << *r << ",";
    cout << endl;
    vector<int>::iterator j; //非常量迭代器
    for (j = v.begin(); j != v.end(); j++)
        *j = 100;
    for (i = v.begin(); i != v.end(); i++)
        cout << *i << ",";
}

这输出结果：
1,2,3,4,
4,3,2,1,
100,100,100,1
00,

(3)迭代器分类

• 双向迭代器
  若p和p1都是双向迭代器，则可对p、p1可进行以下操作：

  代码	意义
  ++p, p++	使p指向容器中下一个元素
  --p, p--	使p指向容器中上一个元素
  * p	取p指向的元素
  p = p1	赋值
  p == p1 , p!= p1	判断是否相等、不等

• 随机访问迭代器
  若p和p1都是随机访问迭代器，则可对p、p1可进行以下操作：
  双向迭代器的所有操作

  代码	意义
  p += i	将p向后移动i个元素
  p -= i	将p向向前移动i个元素
  p + i	指向 p 后面的第i个元素的迭代器
  p - i	指向 p 前面的第i个元素的迭代器
  p[i]	p后面的第i个元素的引用
  p < p1, p <= p1, p > p1, p>= p1	相对位置
  p – p1	:p1和p之间的元素个数

(4)容器上的迭代器类别

容器	容器上的迭代器类别
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

四、算法

(1)算法简介

1. 算法就是一个个函数模板, 大多数在 中定义
2. STL中提供能在各种容器中通用的算法，比如查找，排序等
3. 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。比如，排序和查找
4. 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
5. 算法可以处理容器，也可以处理普通数组

(2)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：binary_search

• 有些算法会对区间进行从小到大排序，称为“排序算法”

  例： 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：

  1)x比y小
  2)表达式“x 3)y比x大

(3)STL中“相等”的概念

• 等价概念有多种可能

  • “x和y相等”等价于“x==y为真”
  • “x和y相等”等价于“x小于y和y小于x同时为假”

• STL中“相等” 概念演示

  #include 
  #include 
  using namespace std;
  class A
  {
         
      int v;
  
  public:
      A(int n) : v(n) {
         }
      bool operator<(const A &a2) const
      {
         
          //必须为常量成员函数
          cout << v << "<" << a2.v << "?" << endl;
          return false;
      }
      bool operator==(const A &a2) const
      {
         
          cout << v << "==" << a2.v << "?" << endl;
          return v == a2.v;
      }
  };
  int main()
  {
         
      A a[] =
          {
         A(1), A(2), A(3), A(4), A(5)};
      cout << binary_search(a, a + 4, A(9));
      //折半查找
      return 0;
  }
  

  输出结果：
  3<9?
  2<9?
  1<9?
  9<1?
  1

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