C++：常用stl容器及其操作

C++相较于其他语言一个显著的优点为，它封装了一些stl（standared template library，标准模板库）容器，使用起来就不需要自己动手实现了，就可以节省更多时间用于思考代码的思路以及代码主要部分。本篇文章介绍常用的stl容器极其操作。

1、vector（变长数组）

要使用vector容器，首先要包含头文件，其次，要声明一个vector，应该使用==vector<数据类型>==的方式，此外，还有一些初始化操作：

vector<int> a  //初始为空
vector<int> a(10)  //初始有10个位置
vector<int> a(10, 3)   //初始有10个位置，且都被初始化为了3
vector<int> a[10]   //声明一个vector数组，每个数组元素都是vector

常用vector操作：

1. size()：返回vector元素数量
2. empty()：返回vector是否为空（空为1，不空为0）
3. clear()：清空vector
4. front()：返回首元素
5. back()：返回尾元素
6. push_back(a)：在尾插入a
7. pop_back()：弹出尾元素
8. begin()：迭代器，可以看作指向第一个元素的指针
9. end() ：迭代器，可以看作指向最后一个元素的后一个位置的指针
10. [a]：支持随机寻址，返回下标为a的元素（下标从0开始）

遍历vector有三种常用操作

1. 用下标
2. 用迭代器
3. 用范围for语句

演示一下，执行以下代码：

#include 
#include 

using namespace std;

int main()
{
    vector<int> a;

    for (int i = 1; i <= 10; i ++ ) a.push_back(i);

    //用下标
    for (int i = 0; i < 10; i ++ ) cout << a[i] << ' ';
    cout << endl;

    //用迭代器
    for (auto i = a.begin(); i != a.end(); i ++ ) cout << *i << ' ';
    cout << endl;

    //用范围for语句
    for (auto x : a) cout << x << ' ';
    cout << endl;

    return 0;
}

得到：

还有必要说一下vector变长的倍增思想。首先要说一下计算机分配内存的时间，每次分配内存和大小关系不大，和分配次数有很大关系。比如一次分配1000个位置，和1000次分配1个位置，后者要慢很多很多。所以vector在变长的时候，要尽量减少分配次数。在gcc环境下，假设当前有n个位置，如果用的位置超过了n个，那就申请2n个位置，并把前n个位置上的元素复制到新分配的前n个里。平均下来，vector插入一个数的时间复杂度是O(1)的。且这样分配次数为logn，有效减少申请次数。用程序展示一下：

#include 
#include 

using namespace std;

int main()
{
    vector<int> a;

    while (1)
    {
        int x;
        cin >> x;
        a.push_back(x);

        cout << "当前元素数量" << a.size() << endl;
        cout << "当前分配空间" << a.capacity() << endl;
    }
}

2、string（字符串）

C++对字符串进行了封装，让字符串的操作更加简单。要使用string类，要包含头文件。初始化string可以直接使用赋值运算符。

常用string操作：

1. size()：返回字符串长度
2. empty()：返回string是否为空（空为1，不空为0）
3. clear()：清空string
4. length()：和size()完全一样
5. substr()：截取子串
6. c_str()：返回字符串地址（首字符地址）

substr()的用法：substr接受两个参数，substr(a, b)，a表示截取子串的其实下标，b表示截取长度。如果越界，则截取到最后停止。此外，substr还可以只接受一个参数a，那么就从下标a开始截取到最后。
一些额外的操作：string还可以使用+=操作。

举例：

#include 
#include 

using namespace std;

int main()
{
    string a = "abcdef";
    string b = a;

    string c = a.substr(1, 3);
    cout << c << endl;

    cout << a.substr(2) << endl;

    cout << endl;

    b += "1234";
    cout << b << endl;

    b += '*';
    cout << b << endl;

    return 0;
}

输出：

3、queue（队列）

使用queue容器，要包含头函数。就是一个已经封装好的先进先出的队列。

常用queue操作：

1. size()：返回队列长度
2. empty()：返回队列是否为空（空为1，不空为0）
3. push(a)：在队尾插入a
4. front()：返回队头元素
5. back()：返回队尾元素
6. pop()：弹出队头元素

注意，queue没有clear操作。但是也可以用重新构造的方法清空队列：

#include 
#include 

using namespace std;

int main()
{
    queue<int> q;
    q.push(1), q.push(2);
    cout << q.front() << endl;

    //重新构造来清空队列
    q = queue<int>();
    if (q.empty()) cout << "队列为空" << endl;

    return 0;
}

4、priority_queue（优先队列）

优先队列其实就是一个堆。要使用priority_queue，需要包含头文件。

常用priority_queue操作：

1. size()：返回堆元素数量
2. empty()：返回堆是否为空（空为1，不空为0）
3. push(a)：向堆中加入一个元素a
4. top()：返回堆顶元素
5. pop()：弹出堆顶元素

默认情况下，priority_queue构造的是一个大根堆。但是有一个固定的语法构造小根堆，要包含头文件。这里以int类型举个例子：

#include 
#include 
#include 

using namespace std;

int main()
{
    //默认大根堆
    priority_queue<int> q1;
    for (int i = 1; i <= 10; i ++ ) q1.push(i);

    //构造小根堆
    priority_queue<int, vector<int>, greater<int>> q2;
    for (int i = 1; i <= 10; i ++ ) q2.push(i);

    cout << q1.top() << endl << q2.top() << endl;

    return 0;
}

要改变存储的数据类型，只要改变3个int即可。注意，priority_queue也没有clear操作。

5、stack（栈）

使用stack容器，要包含头文件。就是一个封装好的栈。

常用stack操作：

1. size()：返回栈元素数量
2. empty()：返回栈是否为空（空为1，不空为0）
3. push(a)：在栈顶加入a
4. top()：返回栈顶元素
5. pop()：弹出栈顶元素

注意，stack没有clear操作。另外，栈的所有操作都是O(1)的。

6、deque（双端队列）

要使用deque容器，要包含头文件。deque是一个功能很强的容器，可以看作是升级的vector。但是缺点就是它的操作太慢了。

常用deque操作：

1. size()：返回deque元素数量
2. empty()：返回deque是否为空（空为1，不空为0）
3. clear()：清空deque
4. front()：返回首元素
5. back()：返回尾元素
6. push_back(a)：在结尾加入元素a
7. pop_back()：弹出尾元素
8. push_front(a)：在开头加入元素a
9. pop_front()：弹出首元素
10. begin() ：迭代器
11. end()：迭代器

同时，deque支持随机寻址操作，即取下标。

7、set（集合）以及multiset（多重集合）

要使用set和multiset容器，要包含头文件。它们是基于红黑树（一种特殊的平衡二叉树）实现的动态维护有序序列的容器。区别就是，set不能存储重复值，但是multiset可以存储重复值。

常用set和multiset操作：

1. size()：返回集合元素数量
2. empty()：返回集合是否为空（空为1，不空为0）
3. clear()：清空集合
4. insert(a)：插入一个数a，O(logn)
5. find(a)：返回a在集合中的个数。如果是set，则只可能是0、1，如果是multiset，那么可以是其他
6. erase(a)：如果a是一个值，那么删除所有a；如果a是迭代器，那么删除迭代器位置元素，O(k + logn)，其中k是待删除元素个数
7. lower_bound(a)：返回 大于等于 a的最小元素的迭代器。如果不存在，返回end()
8. upper_bound(a)：返回 大于 a的最小元素的迭代器。如果不存在返回end()
9. count(a)：返回元素 i 在集合中出现的次数。由于set容器仅包含唯一元素，因此只能返回1或0；multiset中可返回多个。

8、map（映射）和multimap（多重映射）

要使用map和multimap容器，要包含头文件

常用map和multimap操作：

1. size()：返回映射元素数量
2. empty()：返回映射是否为空（空为1，不空为0）
3. clear()：清空映射
4. insert({a, b})：插入一个pair{a, b}
5. erase()：输入pair或迭代器，效果同set
6. lower_bound(a)：返回 大于等于 a的最小元素的迭代器，比较时依据类型1。如果不存在，返回end()
7. upper_bound(a)：返回 大于 a的最小元素的迭代器，比较时依据类型1。如果不存在返回end()

map和multimap还支持一个很强的操作：像使用数组一样使用map。意思是：a[类型一元素] = 类型二元素。

举个例子：

#include 
#include 
#include 

using namespace std;

int main()
{
    map<string, int> a;

    a["abc"] = 1;
    a["bcd"] = 2;
    a["cde"] = 3;

    cout << (*a.upper_bound("a")).second << endl;
    cout << (*a.upper_bound("b")).second << endl;
    

    return 0;
}

10、unordered_set、unordered_multiset、unordered_map以及unordered_multimap

这一坨容器是基于哈希表实现的。要使用unordered_set和unordered_multiset容器，要包含头文件。要使用unordered_map和unordered_multimap容器，要包含头文件。它们和上面四个容器类似，不同之处在于这几个是unordered的，也即无序的。所以，它们不支持lower_bound和upper_bound操作。但是好处就是，因为不需要维护顺序，所以这几个的速度会比上面那几个快很多。各有利弊。

11、bitset（压位存储）

使用的话，要包含头文件。用处就是可以把每个数据压缩到只有一位的大小。

最常用的用处就是，当我们需要一个10000 * 10000的bool矩阵时，如果存成bool类型，那就是10⁸个字节（C++中bool类型占一个字节），直接爆内存了。但是如果使用压位存储，那就只需要10⁸位了，减少了内存消耗，并且能满足需求。

#include 
#include 

using namespace std;

int main()
{
	//声明时，括号内是位数
    bool a[1000][1000];
    bitset<1000> b[1000];

    cout << sizeof a << endl << sizeof b << endl;

    return 0;
}

可以看到内存明显小了很多。

常用bitset操作：

1. count()：返回1的个数
2. any()：返回 是否至少有一个1
3. none()：返回 是否全为0
4. set()：将所有位置为1，如果是set(k, v)，则将第k位置为1
5. reset()：将所有位置为0
6. flip()：将所有位取反，如果是flip(k)，则将第k位取反

此外，bitset还支持~（非）、&（与）、|（或）、^（异或）、>>（右移位）和<<（左移位）操作。