C++-stl-六大组件

0.目录

1. 简介
2. 关系
3. 介绍
   3.1 容器（Container）
   3.2 算法（Algorithm）
   3.3 迭代器（Iterator）
   3.4 仿函数（Function object）
   3.5 适配器（Adaptor）
   3.6 空间配置器（allocator）
4. 引用

---

1.简介

容器（Container）：各种基本数据结构
算法（Algorithm）：各种基本算法
迭代器（Iterator）：提供访问容器中对象的方法
仿函数（Function object）
适配器（Adaptor）
空间配置器（allocator）

2.关系

3.介绍

3.1 容器（Container）

容器库是类模板与算法的汇集，允许程序员简单地访问常见数据结构，例如队列、链表和栈。有三类容器——顺序容器、关联容器和无序关联容器——每种都被设计为支持不同组的操作。

容器管理为其元素分配的存储空间，并提供直接或间接地通过迭代器（Iterator）访问它们的函数。

大多数容器拥有至少几个常见的成员函数，并共享功能。特定应用的最佳容器不仅依赖于提供的功能，还依赖于对于不同工作量的效率。

顺序容器

顺序容器实现能按顺序访问的数据结构。

• array: 静态的连续数组 (C++11)
• vector: 动态的连续数组
• deque: 双端队列
• forward_list: 单链表 (C++11)
• list: 双链表

关联容器

关联容器实现能快速查找（ O(log n) 复杂度）的数据结构。

• set: 唯一键的集合，按照键排序
• map: 键值对的集合，按照键排序，键是唯一的
• multiset: 键的集合，按照键排序
• multimap: 键值对的集合，按照键排序

无序关联容器

无序关联容器提供能快速查找（均摊 O(1) ，最坏情况 O(n) 的复杂度）的无序（哈希）数据结构。

• unordered_set: 唯一键的集合，按照键生成散列 (C++11)
• unordered_map: 键值对的集合，按照键生成散列，键是唯一的 (C++11)
• unordered_multiset: 键的集合，按照键生成散列 (C++11)
• unordered_multimap: 键值对的集合，按照键生成散列 (C++11)

3.2 算法（Algorithm）

算法库提供大量用途的函数（例如查找、排序、计数、操作），它们在元素范围上操作。注意范围定义为 [first, last) ，其中 last 指代要查询或修改的最后元素的后一个元素。

不修改序列的操作	作用
all_of (C++11) any_of (C++11) none_of (C++11)	检查谓词是否对范围中所有、任一或无元素为true
for_each for_each_n (C++17)	应用函数到范围中的所有/前n个元素
count count_if	返回满足指定判别标准的元素数
mismatch	寻找两个范围出现不同的首个位置
find find_if find_if_not (C++11)	寻找首个满足特定判别标准的元素
find_end	在特定范围中寻找最后出现的元素序列
find_first_of	搜索元素集合中的任意元素
adjacent_find	查找首对相邻的相同（或满足给定谓词的）元素
search search_n	搜索一个元素范围中的某个元素/一定量的某个元素的连续副本

修改序列的操作	作用
copy copy_if (C++11) copy_n (C++11)	将某一范围的元素/一定数目的元素复制到一个新的位置
copy_backward	按从后往前的顺序复制一个范围内的元素
move (C++11)	将某一范围的元素移动到一个新的位置
move_backward (C++11)	按从后往前的顺序移动某一范围的元素到新的位置
fill fill_n	将一个给定值复制赋值给一个范围内的每个元素/N个元素
transform	将一个函数应用于某一范围的各个元素，并在目标范围存储结果
generate generate_n	将相继的函数调用结果赋值给一个范围中的每个元素/N个元素
remove remove_if	移除满足特定判别标准的元素
remove_copy remove_copy_if	复制一个范围的元素，忽略满足特定判别标准的元素
replace replace_if	将所有满足特定判别标准的值替换为另一个值
replace_copy replace_copy_if	复制一个范围内的元素，并将满足特定判别标准的元素替换为另一个值
swap	交换两个对象的值
swap_ranges	交换两个范围的元素
iter_swap	交换两个迭代器所指向的元素
reverse	逆转范围中的元素顺序
reverse_copy	创建一个范围的逆向副本
shift_left shift_right (C++20)	迁移范围中的元素
rotate	旋转范围中的元素顺序
rotate_copy	复制并旋转元素范围
random_shuffle(C++17 前) shuffle (C++11)	随机重排范围中的元素
sample (C++17)	从一个序列中随机选择 n 个元素
unique	移除范围内的连续重复元素
unique_copy	创建某范围的不含连续重复元素的副本

划分操作	作用
is_partitioned (C++11)	判断范围是否已按给定的谓词划分
partition	将范围中的元素分为两组
partition_copy (C++11)	复制一个范围，将各元素分为两组
stable_partition	将元素分为两组，同时保留其相对顺序
partition_point (C++11)	定位已划分范围的划分点

排序操作	作用
is_sorted (C++11)	检查范围是否已按升序排列
is_sorted_until (C++11)	找出最大的已排序子范围
sort	将范围按升序排序
partial_sort	排序一个范围的前 N 个元素
partial_sort_copy	对范围内的元素进行复制并部分排序
stable_sort	将范围内的元素排序，同时保持相等的元素之间的顺序
nth_element	将给定的范围部分排序，确保其按给定元素划分

二分搜索操作（在已排序范围上）	作用
lower_bound	返回指向第一个不小于给定值的元素的迭代器
upper_bound	返回指向第一个大于给定值的元素的迭代器
binary_search	确定元素是否存在于某范围中
equal_range	返回匹配特定键值的元素范围

集合操作（在已排序范围上）	作用
merge	归并两个已排序的范围
inplace_merge	就地归并两个有序范围
includes	若一个集合是另一个的子集则返回 true
set_difference	计算两个集合的差集
set_intersection	计算两个集合的交集
set_symmetric_difference	计算两个集合的对称差
set_union	计算两个集合的并集

堆操作	作用
is_heap	检查给定范围是否为一个最大堆
is_heap_until (C++11)	查找能成为最大堆的最大子范围
make_heap	从一个元素范围创建出一个最大堆
push_heap	将一个元素加入到一个最大堆
pop_heap	从最大堆中移除最大元素
sort_heap	将一个最大堆变成一个按升序排序的元素范围

最小/最大操作	作用
max	返回各给定值中的较大者
max_element	返回范围内的最大元素
min	返回各给定值中的较小者
min_element	返回范围内的最小元素
minmax (C++11)	返回两个元素的较小和较大者
minmax_element (C++11)	返回范围内的最小元素和最大元素
clamp (C++17)	在一对边界值间夹逼一个值

比较操作	作用
equal	确定两个元素集合是否是相同的
lexicographical_compare	当一个范围按字典顺序小于另一个范围时，返回 true
lexicographical_compare_three_way (C++20)	用三路比较比较两个范围

排列操作	作用
is_permutation (C++11)	判断一个序列是否为另一个序列的排列
next_permutation	产生某个元素范围的按字典顺序的下一个较大的排列
prev_permutation	产生某个元素范围的按字典顺序的下一个较小的排列

数值运算	作用
iota (C++11)	用从起始值开始连续递增的值填充一个范围
accumulate	对一个范围内的元素求和
inner_product	计算两个范围的元素的内积
adjacent_difference	计算范围内各相邻元素之间的差
partial_sum	计算范围内元素的部分和
reduce (C++17)	类似std::accumulate，但不依序执行
exclusive_scan (C++17)	类似std::partial_sum，第 i 个和中排除第 i 个输入
inclusive_scan (C++17)	类似std::partial_sum，第 i 个和中包含第 i 个输入
transform_reduce (C++17)	应用一个函数对象，然后以乱序规约
transform_exclusive_scan (C++17)	应用一个函数对象，然后进行排除扫描
transform_inclusive_scan (C++17)	应用一个函数对象，然后进行包含扫描

未初始化内存上的操作	作用
uninitialized_copy	将范围内的对象复制到未初始化的内存区域
uninitialized_copy_n (C++11)	将指定数量的对象复制到未初始化的内存区域
uninitialized_fill	复制一个对象到以范围定义的未初始化内存区域
uninitialized_fill_n	复制一个对象到以起点和计数定义的未初始化内存区域
uninitialized_move (C++17)	移动一个范围的对象到未初始化的内存区域
uninitialized_move_n (C++17)	移动一定数量对象到未初始化内存区域
uninitialized_default_construct (C++17)	在范围所定义的未初始化的内存区域以默认初始化构造对象
uninitialized_default_construct_n (C++17)	在起始和计数所定义的未初始化内存区域用默认初始化构造对象
uninitialized_value_construct (C++17)	在范围所定义的未初始化内存中用值初始化构造对象
uninitialized_value_construct_n (C++17)	在起始和计数所定义的未初始化内存区域以值初始化构造对象
destroy_at (C++17)	销毁在给定地址的对象
destroy (C++17)	销毁一个范围中的对象
destroy_n (C++17)	销毁范围中一定数量的对象

C 库	作用
qsort	对未指定类型的元素的一个范围进行排序
bsearch	在未指定类型的数组中搜索元素

3.3 迭代器（Iterator）

迭代器Iterator，用来在一个对象群集（collection of objects）的元素上进行遍历。这个对象群集或许是个容器，或许是容器的一部分。

迭代器的主要好处是，为所有容器提供了一组很小的公共接口。迭代器以++进行累进，以*进行提领，类似于指针，每种容器都提供了自己的迭代器。

迭代器库提供了五种迭代器的定义，同时还提供了迭代器特征、适配器及相关的工具函数：

• Input Iterator：只读，自增(++)，单趟
• Output Iterator：只写，自增(++)，单趟
• Forward Iterator：读写，自增(++)
• Bidirectional Iterator： 读写，自增(++)，自减(--)
• Random Access Iterator：读写，随机访问，增(it+n, it+=n)，减(it-n, it-=n, it1-it2)

迭代器非法化

只读方法决不非法化迭代器或引用。修改容器内容的方法可能非法化迭代器和/或引用如下：

容器	插入	删除
array	无	无
vector	位于插入元素之前的迭代器合法 位于插入元素及之后的迭代器非法 当插入引起内存重新分配时所有迭代器非法	位于删除元素之前的迭代器合法 位于删除元素及之后的迭代器非法
deque	所有迭代器非法	删除首/尾元素时除被删除元素外的迭代器合法 删除中部元素时所有迭代器非法
list forward_list	始终合法	仅被删除元素非法
set multiset map multimap	始终合法	仅被删除元素非法
unordered_set unordered_multiset	若插入导致重哈希，所有迭代器非法 否则始终合法	仅被删除元素非法
unordered_map unordered_multimap	始终合法	仅被删除元素非法

此处插入指代任何添加一或多个元素到容器的方法，而删除指代任何从容器移除一或多个元素的方法。

• 插入方法的例子是std::set::insert、std::map::emplace、std::vector::push_back和std::deque::push_front。
  注意std::unordered_map::operator[]也算，因为它可能插入元素到map中。
• 擦除方法的例子是std::set::erase、std::vector::pop_back、std::deque::pop_front和std::map::clear。
  clear 非法化所有迭代器和引用。因为它擦除所有元素，这在技术上遵照上述规则。

尾后迭代器需要特别留意。通常像指向未被擦除元素的正常迭代器一般非法化此迭代器。故std::set::end决不被非法化，std::unordered_set::end仅在重哈希时被非法化，std::vector::end始终被非法化（因为它始终出现在被修改元素后），以此类推。

有一个例外：删除std::deque末元素的擦除操作会非法化尾后迭代器，尽管它不是容器的被擦除元素（或者说根本不是元素）。与std::deque迭代器的通用规则结合后，最终结果是不非法化std::deque::end的唯一修改操作是删除首元素，而非末元素的擦除。

3.4 仿函数（Function object）

仿函数具体有什么用？没找到很好的解释。

• 一个行为类似函数的对象，它可以没有参数，也可以带有若干参数。
• 任何重载了调用运算符operator()的类的对象都满足函数对象的特征
• 函数对象可以把它称之为smart function。
• STL中也定义了一些标准的函数对象，如果以功能划分，可以分为算术运算、关系运算、逻辑运算三大类。为了调用这些标准函数对象，需要包含头文件：

算术运算	功能
plus	实现 x + y 的函数对象
minus	实现 x - y 的函数对象
multiplies	实现 x * y 的函数对象
divides	实现 x / y 的函数对象
modulus	实现 x % y 的函数对象
negate	实现 -x 的函数对象

比较	功能
equal_to	实现 x == y 的函数对象
not_equal_to	实现 x != y 的函数对象
greater	实现 x > y 的函数对象
less	实现 x < y 的函数对象
greater_equal	实现 x >= y 的函数对象
less_equal	实现 x <= y 的函数对象

逻辑运算	功能
logical_and	实现 x && y 的函数对象
logical_or	实现 x || y 的函数对象
logical_not	实现 !x 的函数对象

逐位运算	功能
bit_and	实现 x & y 的函数对象
bit_or	实现 x | y 的函数对象
bit_xor	实现 x ^ y 的函数对象
bit_not (C++14)	实现 ~x 的函数对象

取反器	功能
not_fn (C++17)	创建返回其保有的函数对象的结果之补的函数对象

搜索器	功能
default_searcher(C++17)	标准 C++ 库搜索算法实现
boyer_moore_searcher (C++17)	Boyer-Moore 搜索算法实现
boyer_moore_horspool_searcher (C++17)	Boyer-Moore-Horspool 搜索算法实现

3.5 适配器（Adaptor）

适配器是一种类，为已有的类提供新的接口，目的是简化、约束、使之安全、隐藏或者改变被修改类提供的服务集合，适配器对容器进行包装，使其表现出另外一种行为。

容器适配器

用来扩展7种基本容器，它们和顺序容器相结合构成栈、队列和优先队列容器，stack，queue， priority_queue可以基于vector和deque，采用最大堆来实现，因为需要随机存取迭代器，只有这两个；

容器适配器提供顺序容器的不同接口。

种类	默认顺序容器	可用顺序容器	说明
stack	deque	vector, list, deque	适配一个容器以提供栈（LIFO 数据结构）
queue	deque	list, deque	适配一个容器以提供队列（FIFO 数据结构）
priority_queue	vector	vector, deque	适配一个容器以提供优先级队列

迭代器适配器

• reverse_iterator: 逆序遍历的迭代器适配器
• make_reverse_iterator (C++14): 创建拥有从实参推出的类型的std::reverse_iterator
• move_iterator (C++11): 解引用结果为右值引用的迭代器适配器
• move_sentinel (C++20): 用于std::move_iterator的哨位适配器
• make_move_iterator (C++11): 创建拥有从实参推出的类型的std::move_iterator
• common_iterator (C++20): 适配一个迭代器类型及其哨位为一个公共迭代器类型
• default_sentinel_t (C++20): 用于知晓其边界的迭代器的默认哨位
• counted_iterator (C++20): 对到范围结尾距离进行跟踪的迭代器适配器
• unreachable_sentinel_t (C++20): 始终与任何weakly_incrementable类型比较都不相等的哨位
• back_insert_iterator: 用于在容器尾部插入的迭代器适配器
• back_inserter: 创建拥有从实参推出的类型的std::back_insert_iterator
• front_insert_iterator: 用于在容器头部插入的迭代器适配器
• front_inserter: 创建拥有从实参推出的类型的std::front_insert_iterator
• insert_iterator: 用于插入容器的迭代器适配器
• inserter: 创建拥有从实参推出的类型的std::insert_iterator

函数适配器（函数对象适配器、成员函数适配器、普通函数适配器）

3.6 空间配置器（allocator）

负责空间配置与管理。从实现的角度来看，配置器是一个实现了动态空间配置、空间管理、空间释放的class template。
隐藏在这些容器后的内存管理工作是通过STL提供的一个默认的allocator实现的。当然，用户也可以定制自己的allocator，只要实现allocator模板所定义的接口方法即可，然后通过将自定义的allocator作为模板参数传递给STL容器，创建一个使用自定义allocator的STL容器对象，如：
stl::vector< int, UserDefinedAllocator> array;
大多数情况下，STL默认的allocator就已经足够了。这个allocator是一个由两级分配器构成的内存管理器，当申请的内存大小大于128byte时，就启动第一级分配器通过malloc/free直接向系统的堆空间分配，如果申请的内存大小小于128byte时，就启动第二级分配器，从一个预先分配好的内存池中取一块内存交付给用户，这个内存池由16个不同大小（8的倍数，8~128byte）的空闲列表组成，allocator会根据申请内存的大小（将这个大小round
up成8的倍数）从对应的空闲块列表取表头块给用户。
这种做法有两个优点
（1)小对象的快速分配。

小对象是从内存池分配的，这个内存池是系统调用一次malloc分配一块足够大的区域给程序备用，当内存池耗尽时再向系统申请一块新的区域，整个过程类似于批发和零售，起先是由allocator向总经商批发一定量的货物，然后零售给用户，与每次都总经商要一个货物再零售给用户的过程相比，显然是快捷了。当然，这里的一个问题时，内存池会带来一些内存的浪费，比如当只需分配一个小对象时，为了这个小对象可能要申请一大块的内存池，但这个浪费还是值得的，况且这种情况在实际应用中也并不多见。
(2)避免了内存碎片的生成。

程序中的小对象的分配极易造成内存碎片，给操作系统的内存管理带来了很大压力，系统中碎片的增多不但会影响内存分配的速度，而且会极大地降低内存的利用率。以内存池组织小对象的内存，从系统的角度看，只是一大块内存池，看不到小对象内存的分配和释放。

4.引用

• 容器库
• STL六大组件之间的关系
• 【C++后台开发面试】STL六大组件（一）