STL-容器适配器详解

C++ STL容器适配器详解

容器适配器，其就是将不适用的序列式容器（包括 vector、deque 和 list）变得适用。容器适配器的底层实现和模板 A、B 的关系是完全相同的，即通过封装某个序列式容器，并重新组合该容器中包含的成员函数，使其满足某些特定场景的需要。

STL容器适配器的种类

STL 提供了 3 种容器适配器，分别为 stack 栈适配器、queue 队列适配器以及 priority_queue 优先权队列适配器

容器适配器	基础容器筛选条件	默认使用的基础容器
stack	基础容器需包含以下成员函数：empty()、size()、back()、push_back()、pop_back()满足条件的基础容器有 vector、deque、list。	deque
queue	基础容器需包含以下成员函数：empty()、size()、front()、back()、push_back()、pop_front()满足条件的基础容器有 deque、list。	deque
priority_queue	基础容器需包含以下成员函数：empty()、size()、front()、push_back()、pop_back()满足条件的基础容器有vector、deque。	vector

C++ stack（STL stack）容器适配器用法详解

stack容器适配器的创建

由于 stack 适配器以模板类 stack（其中 T 为存储元素的类型，Container 表示底层容器的类型）的形式位于头文件中，并定义在 std 命名空间里。因此，在创建该容器之前，程序中应包含以下 2 行代码：

#include 
using namespace std;

创建 stack 适配器，大致分为如下几种方式。

1. 创建一个不包含任何元素的 stack 适配器，并采用默认的 deque 基础容器：

std::stack values;

在介绍适配器时提到，序列式容器中同时包含这 5 个成员函数的，有 vector、deque 和 list 这 3 个容器。因此，stack 适配器的基础容器可以是它们 3 个中任何一个。例如，下面展示了如何定义一个使用 list 基础容器的 stack 适配器：

std::stack> values;

2. 可以用一个基础容器来初始化 stack 适配器，只要该容器的类型和 stack 底层使用的基础容器类型相同即可。例如：

std::list values {1, 2, 3};
std::stack> my_stack (values);

3. 还可以用一个 stack 适配器来初始化另一个 stack 适配器，只要它们存储的元素类型以及底层采用的基础容器类型相同即可。例如：

std::list values{ 1, 2, 3 };
std::stack> my_stack1(values);
std::stack> my_stack=my_stack1;
//std::stack> my_stack(my_stack1);

stack容器适配器支持的成员函数

成员函数	功能
empty()	当 stack 栈中没有元素时，该成员函数返回 true；反之，返回 false。
size()	返回 stack 栈中存储元素的个数。
top()	返回一个栈顶元素的引用，类型为 T&。如果栈为空，程序会报错。
push(const T& val)	先复制 val，再将 val 副本压入栈顶。这是通过调用底层容器的 push_back() 函数完成的。
push(T&& obj)	以移动元素的方式将其压入栈顶。这是通过调用底层容器的有右值引用参数的 push_back() 函数完成的。
pop()	弹出栈顶元素。
emplace(arg…)	arg… 可以是一个参数，也可以是多个参数，但它们都只用于构造一个对象，并在栈顶直接生成该对象，作为新的栈顶元素。
swap(stack & other_stack)	将两个 stack 适配器中的元素进行互换，需要注意的是，进行互换的 2 个 stack 适配器中存储的元素类型以及底层采用的基础容器类型，都必须相同。

C++ STL queue容器适配器详解

queue容器适配器的创建

queue 容器适配器以模板类 queue（其中 T 为存储元素的类型，Container 表示底层容器的类型）的形式位于头文件中，并定义在 std 命名空间里。因此，在创建该容器之前，程序中应包含以下 2 行代码：

#include 
using namespace std;

1. 创建一个空的 queue 容器适配器，其底层使用的基础容器选择默认的 deque 容器：

std::queue values;

通过此行代码，就可以成功创建一个可存储 int 类型元素，底层采用 deque 容器的 queue 容器适配器。

2. 当然，也可以手动指定 queue 容器适配器底层采用的基础容器类型。通过学习 《STL容器适配器详解》一节我们知道，queue 容器适配器底层容器可以选择 deque 和 list。

作为 queue 容器适配器的基础容器，其必须提供 front()、back()、push_back()、pop_front()、empty() 和 size() 这几个成员函数，符合条件的序列式容器仅有 deque 和 list。

std::queue> values;

3. 可以用基础容器来初始化 queue 容器适配器，只要该容器类型和 queue 底层使用的基础容器类型相同即可。例如：

std::deque values{1,2,3};
std::queue my_queue(values);

4. 还可以直接通过 queue 容器适配器来初始化另一个 queue 容器适配器，只要它们存储的元素类型以及底层采用的基础容器类型相同即可。例如：

std::deque values{1,2,3};
std::queue my_queue1(values);
std::queue my_queue(my_queue1);
//或者使用
//std::queue my_queue = my_queue1;

queue容器适配器支持的成员函数

成员函数	功能
empty()	如果 queue 中没有元素的话，返回 true。
size()	返回 queue 中元素的个数。
front()	返回 queue 中第一个元素的引用。如果 queue 是常量，就返回一个常引用；如果 queue 为空，返回值是未定义的。
back()	返回 queue 中最后一个元素的引用。如果 queue 是常量，就返回一个常引用；如果 queue 为空，返回值是未定义的。
push(const T& obj)	在 queue 的尾部添加一个元素的副本。这是通过调用底层容器的成员函数 push_back() 来完成的。
emplace()	在 queue 的尾部直接添加一个元素。
push(T&& obj)	以移动的方式在 queue 的尾部添加元素。这是通过调用底层容器的具有右值引用参数的成员函数 push_back() 来完成的。
pop()	删除 queue 中的第一个元素。
swap(queue &other_queue)	将两个 queue 容器适配器中的元素进行互换，需要注意的是，进行互换的 2 个 queue 容器适配器中存储的元素类型以及底层采用的基础容器类型，都必须相同。

和 stack 一样，queue 也没有迭代器，因此访问元素的唯一方式是遍历容器，通过不断移除访问过的元素，去访问下一个元素。

C++ STL priority_queue容器适配器详解

priority_queue 容器适配器为了保证每次从队头移除的都是当前优先级最高的元素，每当有新元素进入，它都会根据既定的排序规则找到优先级最高的元素，并将其移动到队列的队头；同样，当 priority_queue 从队头移除出一个元素之后，它也会再找到当前优先级最高的元素，并将其移动到队头。

基于 priority_queue 的这种特性，因此该容器适配器有被称为优先级队列。

STL 中，priority_queue 容器适配器的定义如下：

template ,
        typename Compare=std::less >
class priority_queue{
    //......
}

可以看到，priority_queue 容器适配器模板类最多可以传入 3 个参数，它们各自的含义如下：

• typename T：指定存储元素的具体类型；

• typename Container：指定 priority_queue 底层使用的基础容器，默认使用 vector 容器。

  作为 priority_queue 容器适配器的底层容器，其必须包含 empty()、size()、front()、push_back()、pop_back() 这几个成员函数，STL 序列式容器中只有 vector 和 deque 容器符合条件。

• typename Compare：指定容器中评定元素优先级所遵循的排序规则，默认使用

  std::less
  

  按照元素值从大到小进行排序，还可以使用

  std::greater
  

  按照元素值从小到大排序，但更多情况下是使用自定义的排序规则。

  其中，std::less 和 std::greater 都是以函数对象的方式定义在 头文件中。关于如何自定义排序规则。

创建priority_queue的几种方式

由于 priority_queue 容器适配器模板位于头文件中，并定义在 std 命名空间里，因此在试图创建该类型容器之前，程序中需包含以下 2 行代码：

#include 
using namespace std;

创建 priority_queue 容器适配器的方法，大致有以下几种。

1. 创建一个空的 priority_queue 容器适配器，第底层采用默认的 vector 容器，排序方式也采用默认的 std::less 方法：

std::priority_queue values;

2. 可以使用普通数组或其它容器中指定范围内的数据，对 priority_queue 容器适配器进行初始化：

//使用普通数组
int values[]{4,1,3,2};
std::priority_queuecopy_values(values,values+4);//{4,2,3,1}
//使用序列式容器
std::arrayvalues{ 4,1,3,2 };
std::priority_queuecopy_values(values.begin(),values.end());//{4,2,3,1}

3. 还可以手动指定 priority_queue 使用的底层容器以及排序规则，比如：

int values[]{ 4,1,2,3 };
std::priority_queue, std::greater >copy_values(values, values+4);//{1,3,2,4}

priority_queue提供的成员函数

成员函数	功能
empty()	如果 priority_queue 为空的话，返回 true；反之，返回 false。
size()	返回 priority_queue 中存储元素的个数。
top()	返回 priority_queue 中第一个元素的引用形式。
push(const T& obj)	根据既定的排序规则，将元素 obj 的副本存储到 priority_queue 中适当的位置。
push(T&& obj)	根据既定的排序规则，将元素 obj 移动存储到 priority_queue 中适当的位置。
emplace(Args&&… args)	Args&&… args 表示构造一个存储类型的元素所需要的数据（对于类对象来说，可能需要多个数据构造出一个对象）。此函数的功能是根据既定的排序规则，在容器适配器适当的位置直接生成该新元素。
pop()	移除 priority_queue 容器适配器中第一个元素。
swap(priority_queue& other)	将两个 priority_queue 容器适配器中的元素进行互换，需要注意的是，进行互换的 2 个 priority_queue 容器适配器中存储的元素类型以及底层采用的基础容器类型，都必须相同。

和 queue 一样，priority_queue 也没有迭代器，因此访问元素的唯一方式是遍历容器，通过不断移除访问过的元素，去访问下一个元素。

C++ STL迭代器适配器

本章将介绍 5 种迭代器适配器，分别是反向迭代器适配器、插入型迭代器适配器、流迭代器适配器、流缓冲区迭代器适配器、移动迭代器适配器。

C++ STL迭代器适配器种类

名称	功能
反向迭代器（reverse_iterator）	又称“逆向迭代器”，其内部重新定义了递增运算符（++）和递减运算符（–），专门用来实现对容器的逆序遍历。
安插型迭代器（inserter或者insert_iterator）	通常用于在容器的任何位置添加新的元素，需要注意的是，此类迭代器不能被运用到元素个数固定的容器（比如 array）上。
流迭代器（istream_iterator / ostream_iterator） 流缓冲区迭代器（istreambuf_iterator / ostreambuf_iterator）	输入流迭代器用于从文件或者键盘读取数据；相反，输出流迭代器用于将数据输出到文件或者屏幕上。 输入流缓冲区迭代器用于从输入缓冲区中逐个读取数据；输出流缓冲区迭代器用于将数据逐个写入输出流缓冲区。
移动迭代器（move_iterator）	此类型迭代器是 C++ 11 标准中新添加的，可以将某个范围的类对象移动到目标范围，而不需要通过拷贝去移动。

#include 
#include 
using namespace std;
int main()
{
    std::list values{ 1,2,3,4,5 };
    //找到遍历的起点和终点，这里无需纠结定义反向迭代器的语法，后续会详细讲解
    std::reverse_iterator::iterator> begin = values.rbegin();
    std::reverse_iterator::iterator> end = values.rend();
    while (begin != end) {
        cout << *begin << " ";
        //注意，这里是 ++，因为反向迭代器内部互换了 ++ 和 -- 的含义
        ++begin;
    }
    return 0;
}

C++ STL distance()函数用法详解

作用于同一容器的 2 个同类型迭代器可以有效指定一个区间范围。在此基础上，如果想获取该指定范围内包含元素的个数，就可以借助本节要讲的 distance() 函数。

distance() 函数用于计算两个迭代器表示的范围内包含元素的个数，其语法格式如下：

template
typename iterator_traits::difference_type distance (InputIterator first, InputIterator last);

其中，first 和 last 都为迭代器，其类型可以是输入迭代器、前向迭代器、双向迭代器以及随机访问迭代器；该函数会返回[first, last)范围内包含的元素的个数。

注意，first 和 last 的迭代器类型，直接决定了 distance() 函数底层的实现机制：

• 当 first 和 last 为随机访问迭代器时，distance() 底层直接采用 last - first 求得 [first, last) 范围内包含元素的个数，其时间复杂度为O(1)常数阶；
• 当 first 和 last 为非随机访问迭代器时，distance() 底层通过不断执行 ++first（或者 first++）直到 first==last，由此来获取 [first, last) 范围内包含元素的个数，其时间复杂度为O(n)线性阶。

另外，distance() 函数定义在头文件，并位于 std 命名空间中。因此在使用此函数前，程序中应包含如下代码：

#include 
using namespace std;

#include      // std::cout
#include      // std::distance
#include          // std::list
using namespace std;
int main() {
    //创建一个空 list 容器
    list mylist;
    //向空 list 容器中添加元素 0~9
    for (int i = 0; i < 10; i++) {
        mylist.push_back(i);
    }
    //指定 2 个双向迭代器，用于执行某个区间
    list::iterator first = mylist.begin();//指向元素 0
    list::iterator last = mylist.end();//指向元素 9 之后的位置
    //获取 [first,last) 范围内包含元素的个数
    cout << "distance() = " << distance(first, last);
    return 0;
}

C++ STL advance()函数用法详解

迭代器辅助函数	功能
advance(it, n)	it 表示某个迭代器，n 为整数。该函数的功能是将 it 迭代器前进或后退 n 个位置。
distance(first, last)	first 和 last 都是迭代器，该函数的功能是计算 first 和 last 之间的距离。
begin(cont)	cont 表示某个容器，该函数可以返回一个指向 cont 容器中第一个元素的迭代器。
end(cont)	cont 表示某个容器，该函数可以返回一个指向 cont 容器中最后一个元素之后位置的迭代器。
prev(it)	it 为指定的迭代器，该函数默认可以返回一个指向上一个位置处的迭代器。注意，it 至少为双向迭代器。
next(it)	it 为指定的迭代器，该函数默认可以返回一个指向下一个位置处的迭代器。注意，it 最少为前向迭代器。

C++ STL advance()函数

advance() 函数用于将迭代器前进（或者后退）指定长度的距离，其语法格式如下：

template 
void advance (InputIterator& it, Distance n);

其中 it 指的是目标迭代器，n 通常为一个整数。

需要注意的是，如果 it 为输入迭代器或者前向迭代器，则 n 必须为一个正数，即表示将 it 右移（前进） n 个位置；反之，如果 it 为双向迭代器或者随机访问迭代器，则 n 为正数时表示将 it 右移（前进） n 个位置，n 为负数时表示将 it 左移（后退） n 个位置。

另外，根据 it 类型是否为随机访问迭代器，advance() 函数底层采用了不同的实现机制：

• 当 it 为随机访问迭代器时，由于该类型迭代器支持 p+n 或者 p-n（其中 p 就是一个随机访问迭代器）运算，advance() 函数底层采用的就是 it+n 操作实现的；
• 当 it 为其他类型迭代器时，它们仅支持进行 ++ 或者 – 运算，这种情况下，advance() 函数底层是通过重复执行 n 个 ++ 或者 – 操作实现的。

值得一提的是，advance() 函数定义在头文件，并位于 std 命名空间中。因此，程序在使用该函数之前，应包含如下 2 行代码：

#include 
using namespace std;

为了让读者更好地知晓 advance() 函数的功能，首先以 forward_list 容器（仅支持使用前向迭代器）为例，下面程序演示了 advance() 函数的功能：

#include      // std::cout
#include      // std::advance
#include 
using namespace std;
int main() {
    //创建一个 forward_list 容器
    forward_list mylist{1,2,3,4};
    //it为前向迭代器，其指向 mylist 容器中第一个元素
    forward_list::iterator it = mylist.begin();
    //借助 advance() 函数将 it 迭代器前进 2 个位置
    advance(it, 2);
    cout << "*it = " << *it;
    return 0;
}

// 程序执行结果为：*it = 3