【C++】标准模板库（STL）

目录

一、什么是 STL？

二、STL 的内容

2.1 STL 六大组件

2.2 容器

2.3 算法

2.4 适配器

2.4.1 stack

2.4.2 queue & priority_queue

三、STL 的使用场景

3.1 向量 vector

3.2 双端队列 deque

3.3 vector 与 deque 的比较（数组和链表的特性区别）

3.4 队列 list

3.5 集合 set

3.6 映射 map

3.7 对 vector、set、map 的区分

四、常用容器用法介绍

---

一、什么是 STL？

       标准模板库 STL（Standard Template Library），是 C++ 标准库的一部分，不需要单独安装，只需要 #include 头文件。

       STL 的一个重要特点是数据结构和算法的分离。尽管这是个简单的概念，但这种分离确实使得STL 变得非常通用。例如，由于 STL 的 sort() 函数是完全通用的，你可以用它来操作几乎任何数据集合，包括链表、容器和数组；

       STL 的另一个重要特性是它不是面向对象的。STL 主要依赖于模板而不是封装、继承和虚函数（多态性）—— OOP的三个要素。在 STL 中找不到任何明显的类继承关系，但这正好是使得 STL 的组件具有广泛通用性的底层特征。另外，STL 是基于模板（Template）实现的，只换类型，不换方法，内联函数的使用使得生成的代码短小高效；

       C++ 语言的核心优势之一就是便于软件的复用，它在两个方面体现了复用：

• 面向对象的继承和多态机制
• 通过模板的概念实现了对泛型程序设计的支持

---

二、STL 的内容

2.1 STL 六大组件

• 容器（Container）：各种数据结构，如 vector、list、deque、set、map 等，以模板类的方法提供。为了访问容器中的数据，可以使用由容器类输出的迭代器；
• 算法（Algorithm）：各种常用算法，提供了执行各种操作的方式，包括对容器内容执行初始化、排序、搜索和转换等操作，如 sort、find、copy、erase 函数等。函数本身与它们操作的数据的结构和类型无关，因此它们可以在从简单数组到高度复杂容器的任何数据结构上使用；
• 迭代器（Iterator）：迭代器提供了访问容器中对象的方法，扮演容器与算法之间的胶合剂，是所谓的“泛型指针”，共有 5 种类型，以及其他衍生变化，是一种将 operator*、operator->、operator++、operator-- 等指针操作予以重载的模板类。所有的 STL 容器附带有自己专属的迭代器，因为只有容器设计者才知道如何遍历自己的元素；
• 仿函数（Functor）：也称为函数对象（Function object），行为类似函数，可作为算法的某种策略。从实现角度来看，仿函数是一种重载了 operator() 的类或者模板类；
• 适配器（Adaptor）：一种用来修饰容器、仿函数或者迭代器接口的机制。例如 STL 提供的 queue 和 stack，就是一种空间配接器，因为它们的底部完全借助于 deque；
• 分配器（allocator）：也称为空间配置器，负责空间的配置与管理。从实现的角度来看，配置器是一个实现了动态配置空间、空间管理、空间释放的模板类。

---

2.2 容器

（1）序列式容器（Sequence containers）—— 每个元素都有固定位置，取决于插入时机和地点，和元素值无关，如 vector、deque、list 等；

• Vector：将元素置于一个动态数组中加以管理，可以随机存取元素（用索引直接存取），数组尾部添加或移除元素非常快速，但是在中部或头部安插元素比较费时；
• Deque：是“double-ended queue”的缩写，可以随机存取元素（用索引直接存取），数组头部和尾部添加或移除元素都非常快速，但是在中部安插元素比较费时；
• List：双向链表，不提供随机存取（按顺序走到需存取的元素，O(n)），在任何位置上执行插入或删除动作都非常迅速，内部只需调整一下指针；

（2）关联式容器（Associated containers）—— 元素位置取决于特定的排序准则，和插入顺序无关，如 set、multiset、map、multimap 等。

• Set / Multiset：内部的元素依据其值自动排序，set 内的相同数值的元素只能出现一次，multiset 内可包含多个数值相同的元素，内部由二叉树实现，便于查找；
• Map / Multimap：map 的元素是成对的键值 / 实值，内部的元素依据其值自动排序，map 内的相同数值的元素只能出现一次，multimap 内可包含多个数值相同的元素，内部由二叉树实现，便于查找；

注意：容器类自动申请和释放内存，无需 new 和 delete 操作。

---

2.3 算法

       算法部分主要由头文件 、 和 组成。

• 是所有 STL 头文件中最大的一个，是由很多模板函数组成的，可以认为每个函数在很大程度上都是独立的，其中常用到的功能有比较、交换、查找、遍历、复制、修改、移除、反转、排序、合并等操作；
• 体积很小，只包括几个在序列上面进行简单数学运算的模板函数，包括加法和乘法在序列上的一些操作；
• 中则定义了一些模板类，用以声明函数对象。

       STL中算法大致分为四类：

• 非可变序列算法：指不直接修改其所操作的容器内容的算法；
• 可变序列算法：指可以修改它们所操作的容器内容的算法；
• 排序算法：对序列进行排序和合并的算法、搜索算法以及有序序列上的集合操作；
• 数值算法：对容器内容进行数值计算。

---

2.4 适配器

       “适配器是使一种事物的行为类似于另外一种事物行为的机制”，适配器对容器进行包装，使其表现出另外一种行为。例如 stack> 内部使用顺序容器 vector 来存储数据，但是表现出了栈的功能。STL 提供了三种顺序容器适配器：queue（FIFO队列）、priority_queue（优先级队列）和 stack（栈）。

• 头文件

    #include     // stack
    #include     // queue、priority

种类	默认顺序容器	可用顺序容器	说明
stack	deque	vector、list、deque
queue	deque	list、deque	基础容器必须提供 push_front() 运算
priority_queue	vector	vector、deque	基础容器必须提供随机访问功能

• 适配器的使用

2.4.1 stack

    stack s;  // 初始化
    stack> stk;  // 覆盖默认容器类型，使用vector实现stk
    s.empty();     // 判断stack是否为空，为空返回true，否则返回false
    s.size();      // 返回stack中元素的个数
    s.pop();       // 删除栈顶元素，但不返回其值
    s.top();       // 返回栈顶元素的值，但不删除此元素
    s.push(item);  // 在栈顶压入新元素item

2.4.2 queue & priority_queue

    // queue only:
    queue q;  // 初始化
    q.front();     // 返回队首元素的值，但不删除该元素
    q.back();      // 返回队尾元素的值，但不删除该元素
 
    // priority_queue only:
    priority_queue q;  // 初始化
    q.top();       // 返回具有最高优先级的元素值，但不删除该元素
    
    // both:
    q.empty();     // 判断队列是否为空
    q.size();      // 返回队列长度
    q.push(item);  /* 对于queue，在队尾压入一个新元素；
                    * 对于priority_queue，在基于优先级的适当位置插入新元素
                    */

---

三、STL 的使用场景

3.1 向量 vector

底层实现：动态数组

适用场景：需要快速查找，不需要频繁插入删除，如软件历史操作记录的存储。

---

3.2 双端队列 deque

底层实现：链表

使用场景：支持头端的快速移除，尾端的快速添加，如排队购票系统。如果采用 vector，则头端移除时，会移动大量的数据，速度慢。

---

3.3 vector 与 deque 的比较（数组和链表的特性区别）

• vector.at() 比 deque.at() 效率高，如 vector.at(0) 是固定的，deque 的开始位置却不固定；
• 如果有大量释放操作的话，vector 花费的时间更少，这与二者的内部实现有关；
• deque 支持头部的快速插入与快速移除，这是 deque 的优势（链表）。

---

3.4 队列 list

底层实现：链表

使用场景：支持频繁的不确定位置元素的插入删除，不需要快速查找，如公交车乘客的存储。

---

3.5 集合 set

底层实现：红黑树（平衡二叉树）

使用场景：查找具体到某个单位，区别于 vector 一般是某个范围。需要元素有序，查找 / 删除 / 插入的性能相同，效率都是 O(logN)。如对游戏个人得分记录的存储，要求按从高到低的顺序排列。

---

3.6 映射 map

底层实现：红黑树

使用场景：查找具体到某个单位，区别于 set 范围更大，如按 ID 号存储十万个用户，想要快速通过 ID 查找对应的用户。

---

3.7 对 vector、set、map 的区分

• 当班里有100个人，我们需要不断查看这100个人的数据，这时我们使用 vector 最好，这就是相对于某个范围。
• 当班里仍有100个人，我们只需要查看某个人的数据，我们这时不使用 vector，而应该使用 set，这就是相对于具体某个人。
• 当班里有10000个人时，我们仍只需要查看某个人的数据，我们这时不使用 set，而应该使用 map，因为范围扩大，用 map 效率更高。

---

四、常用容器用法介绍

将陆续更新各个容器的详细用法链接

【C++】STL - 向量 vector

【C++】STL - 集合 set