C++标准模板库Stand Template Library(STL)简介与STL string类

参考《21天学通C++》第15和16章节，在对宏和模板学习之后，开启对C++实现的标准模板类STL进行简介，同时介绍简单的string类。虽然前面对于vector、deque、list等进行过学习和总结，但并没有一个宏观上的把握，现在通过上一篇和这一篇博文，将对C++模板以及基于C++模板的STL关联起来，形成一个总体的把握，对于掌握C++中模板（template）这一强有力的工具会十分有帮助。本文的主要内容有：

（1） STL容器；

（2） STL迭代器；

（3） STL算法；

（4） STL字符串类。

简单的来说，标准模板库是一组模板类和函数，向程序员提供了用于存储信息的容器、用于访问容器存储信息的迭代器和用于操作容器内容的算法。最后结合非常常用的STL string类进行介绍。

一、STL标准模板库

************************************************************************************************************************************1. STL容器

容器是用于存储数据的STL类，STL提供了两种类型的容器：顺序容器和关联容器。另外，还提供了容器适配器（Container Adapter）的类，它们是顺序容器和关联容器的变种，用于满足特殊需求。

（1） 顺序容器

按照顺序存储数据，比如数组和列表。顺序容器插入速度快但查找操作相对较慢。主要包括以下几种标准模板类实现：std::vector，操作与动态数组一样，在最后插入数据；std::deque，与vector类似，可在开头插入和删除元素；std::list，操作与双向链表一样，可视为链条，对象被连接在一起，可在任意位置插入和删除对象；std::forward_list，类似std::list，是单向链表，只能沿着一个方向遍历。

（PS：如果上面介绍的数据结构不太清楚的话，可以参考我的系列博文：数据结构（二）:线性表的使用原则以及链表的应用-稀疏矩阵的三元组表示http://blog.csdn.net/lg1259156776/article/details/47073957；数据结构（二）:链表、链队列http://blog.csdn.net/lg1259156776/article/details/47018813；数据结构（二）:线性表包括顺序存储结构（顺序表、顺序队列和顺序栈）和链式存储结构（链表、链队列和链栈） http://blog.csdn.net/lg1259156776/article/details/46993591）

正如上面博文中介绍的，vector和deque是顺序存储结构，而list是链式存储结构，vector和deque都是连续的内存组织，而list则可使用不连续的内存块组织，所以list不需要像vector和deque那样给内部数组重新分配内存。所以在使用中，涉及到频繁插入和删除操作的，一般使用链式存储结构的list，否则一般使用vector足矣。

（2） 关联容器

关联容器按指定的顺序存储数据，就像词典一样，这将降低插入数据的速度，但是在查询方面有很大的优势。

STL提供的关联容器包括：

std::set，存储各不相同的值，在插入时进行排序；容器的复杂度为对数。

std::unordered_set，存储各不相同的值，在插入时进行排序；容器的复杂度为常数。

std::map，存储键值对，并根据唯一的键排序；容器的复杂度为对数。

std::unordered_map，存储键值对，并根据唯一的键排序；容器的复杂度为对数。

std::multiset，与set类似，但允许存储多个值相同的项，即值不需要是唯一的。

std::unordered_multiset，与unordered_set类似，但允许存储多个值相同的项。

std::multimap，与map类似，但不要求键是唯一的。

std::unordered_multimap，与unordered_map类似，但不要求键是唯一的。

（3） 选择合适的容器

显然，可能有多种STL容器能够满足应用程序的需求，但哪一个是较好的选择呢？

下面对STL容器的特点进行梳理：

std::vector（顺序容器）的优点是在末尾插入数据时快（时间固定），可以像访问数组一样进行访问，缺点是调整大小时将影响性能，搜索时间与容器包含的元素个数成正比，只能在末尾插入数据；

std::deque（顺序容器）的优点是具备vector所有优点，还可以在容器开头插入数据，插入时间固定。缺点是：vector所有缺点，与vector不同的是根据规范，deque不需要支持reserve函数，该函数让程序元能够给vector预留内存空间，以免频繁地调整大小，从而提高性能。

std::list（顺序容器）的优点是在list开头、中间或末尾插入数据，所需时间都是固定的，将元素从list中删除所需的时间是固定的，而不管元素的位置如何，插入或删除元素后，指向list中其他元素的迭代器仍然有效，缺点是不能像数组那样能够根据索引随机访问元素，搜索速度比vector慢，因为元素没有存储在连续的内存单元中，搜索时间与容器的个数成正比。

std::forward_list（顺序容器）优点是单向链表类，只能沿一个方向遍历，缺点是只能使用push_front在链表表头插入元素。

std::set（关联容器），搜索时间不是与容器中的元素个数而是与元素个数的对数成正比，因此搜索速度通常比顺序容器要快，缺点是元素的插入速度比顺序容器慢，因为插入时要进行排序。

std:unordered_set（关联容器），搜索、插入和删除速度几乎不受容器元素个数的影响。缺点是由于元素未被严格排序，因此不能依赖于元素在容器中的相对位置。

std::multiset（关联容器）优点是需要存储非唯一值时，应使用；缺点是插入速度可能比顺序容器要慢，因为在插入时对元素键值对进行排序。

std::unordered_multiset（关联容器）优点是需要存储非唯一值时，搜索、插入和删除速度几乎不受容器元素个数的影响。缺点是由于元素未被严格排序，因此不能依赖于元素在容器中的相对位置。

std::map（关联容器）优点是可用于存储键值对，搜索时间与元素个数的对数成正比，因此搜索速度通常比顺序容器要快的多。缺点是插入时进行排序，因此插入速度比顺序容器要慢。

std::unordered_map（关联容器）优点是搜索、插入和删除元素的时间固定，不受容器长度的影响。缺点是元素未被严格排序，不适合用于顺序很重要的情形。

std::multimap（关联容器）优点是在需要存储键值对且要求键值不唯一时，可用。缺点是插入时需要排序，因此插入速度比顺序容器要慢。

std::unordered_multimap（关联容器）优点是在需要存储键值对且要求键值不唯一时可用。缺点是由于元素未被严格排序，因此不能依赖于元素在容器中的相对位置。

（4） 容器适配器

是顺序容器和关联容器的变种，其功能有限，用于满足特定的需求，主要的容器适配器有：

std::stack，以后进先出的方式存储元素，能够在栈顶压入和弹出元素；

std::queue，以先进先出的方式存储元素，能够删除最先插入的元素；

std::priority_queue，以特定的顺序存储元素，因为优先级最高的元素总是位于队列开头。

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2. STL迭代器

最简单的迭代器是指针，给定一个指向数组中第一个元素的指针，可递增该指针使其指向下一个元素，还可以直接对当前位置的元素进行操作。

STL中的迭代器是模板类，从某种程度上说，它是泛型指针，能够对STL各种容器进行访问。注意，操作也可以是以模板函数的方式提供的STL算法，迭代器是一个桥梁，用来沟通STL算法和STL容器。

STL提供的迭代器分为两大类，一是输入迭代器，通过对输入迭代器解除引用，它将引用对象，而对象可能位于集合中，最严格的输入迭代器确保只是以只读的方式访问对象；二是输出迭代器，输出迭代器让程序员对集合执行写入操作，最严格的输出迭代器确保只能执行写入操作。

以上两种迭代器可进一步分为三种：一是前向迭代器，允许输入和输出，还可以是const只读的，前向迭代器通常用于单向链表；二是双向迭代器，可对其进行递减操作，从而向后移动，常用于双向链表；三是随机访问迭代器，常用于访问数组。

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3. STL算法

对应STL中的容器，STL实现了一系列的模板函数。查找、排序和翻转都是标准的编程需求，不应让程序员重复实现这样的功能，因此，以STL以STL算法的方式提供这些函数，通过结合使用这些函数和迭代器，程序员可对容器执行一些最常见的操作，比如：

std::find，在集合中查找值；

std::find_if，根据用户提供的谓词在集合中查找值；

std::reverse，翻转集合中的元素；

std::remove_if，根据用户定义的谓词在集合中删除元素；

std::transform，使用用户定义的变换函数对容器中的元素进行变化。

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4. STL string类

STL提供了一个专门操作字符串而设计的模板类，std::basic_string<T>该模板类两个常用的具体化如下：

std::string，基于char型的std::basic_string具体化，用于操作简单的字符串；

std::wstring，基于wchar_t的std::basic_string具体化，用于操作宽字符串。

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二、STL string类

下面主要针对string具体化进行介绍：

std::string是一个类似于动态字符串的数据结构，通常的字符串的存储结构是基于字符数组的，但是其长度是固定（static），使用起来十分不方便。使用string能够有以下的优势：

减少在创建和操作字符串方面的工作量；

在内部管理内存分配细节，从而提高了应用程序的稳定性；

提供了复制构造函数和赋值运算符，可确成员字符串得以正确复制；

提供了帮助执行复制、截短、查找和删除的使用函数。

提供了用于比较的运算符；

1. 使用STL string类

（1） 基本操作

最常用的字符串函数包括：复制、连接、查找字符和字符串、截短、使用标准模板库提供的算法进行字符转反转和大小写转换。必须包含<string>

（2） 实例化和复制STL string

使用常量字符串初始化，赋值操作即可。

std::string str("test")

（3） 访问string的字符内容

string的访问可以使用迭代器，也可以采用数组的语法下标运算符[]来提供偏移量。要获得string对象的C风格表示，可使用成员函数c_str()，转变为char* 的表示。

string::const_iterator iCharacterLocator;

 （4） 拼接字符串

可使用+=来操作，也可以使用成员函数append，append函数有多个重载版本，能够接受一个string，也可以接受C风格的char* 字符串。

（5） 查找字符串或查找字符

成员函数find()，该函数有多个重载版本，可在给定的string对象中查找字符或字符串。还提供了一些与find类似的函数如：find_first_of()，find_first_not_off，find_last_off()，find_last_not_off。

（6） 截短字符

可使用erase函数，在给定偏移量和字符数时删除指定数目的字符；在给定指向字符的迭代器时删除该字符；在给定由两个迭代器指定的范围时删除该范围内的字符。string类还提供了clear，用来清除所有的内容，并重置string对象。

（7） 字符串反转

有时需要翻转字符串的内容，假设要判定用户输入的字符串是否回文，方法之一就是将其翻转，再与原来的字符串比较。翻转STL string很容易，只需要使用泛型算法：std::reverse即可。通过迭代器输入翻转的范围，可以在一部分的字符串上进行翻转。

（8） 字符串的大小写转换

可使用算法transform，它对集合中的每一个元素都执行一个用户指定的转换函数，这里集合是string对象本身。

如果应用程序需要支持非拉丁文字符，如中文和日文，应使用std::wstring，其操作方式与string一样。

小结：

STL string类是模板库提供的一个容器，可满足程序员众多字符串操作，优点是原来由程序员负责维护的内存等操作，将有STL框架提供的一个容器类完成。

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2015-7-31