跟我学STL系列(1)——STL入门介绍
一、引言
最近这段时间一直都在自学C++，所以这里总结下自己这段时间的学习过程，通过这种方式来巩固自己学到的内容和以备后面复习所用，另外，希望这系列文章可以帮助到其他自学C++的朋友们。
由于本人之前主要研究C#语言，在自学C++的过程中，经常会把C++中内容与C#中内容进行对比来理解，所以这系列文章的内容也会与C#进行比较，从而来说明语言都是想通的，只要你掌握好一门语言，学习其他语言都可以举一反三。
二、STL是什么
STL全称为Standard Template Library，即标准模板库，该库提供一些常用的容器对象和一些通用的算法等，大家可以理解STL就是一个库，该库帮我们封装了很多容器类和通用的方法，我们可以通过调用该库中封装好的方法和容器类来进行编程，相比C#而言，STL就好比.NET类库中的某个DLL，例如，C# 中，List<T>类存在于mscorlib.dll中System.Collections.Generic命名空间下，C++ 中，list<T>存在于list头文件中std命名空间下，所以C++代码中要使用list<T>容器（在C++中把list成为容器，即一系列元素的集合），必须先通过#include <list>引入list头文件，类似与C#中的添加mscorlib.dll引言，再使用use namespace std引入命名空间，类似与C#中using System.Collections.Generic代码。
三、STL 六大组件
STL通过模板抽象了基于数据结构之上的普遍行为，形成了独特的STL算法。在STL中，这些数据结构成为容器。在容器和算法之间通过中间体：迭代器来进行连接，迭代器可以看做是数据结构和算法之间的纽带，它降低了数据结构和算法之间的耦合度。STL中国又包括六大核心组件，它们分别是：
- 容器（Container）
- 算法（Algorithm）
- 迭代器（Iterator）
- 函数对象，又称仿函数（Function object）
- 适配器（Adaptor）
- 空间配置器（Allocator）
3.1 容器
STL中容器可分为序列式容器和关联式容器，其中，序列式容器的每个元素的位置取决于元素被插入时设置的位置，和元素值本身无关，而，关联式容器的元素位置取决于特定的排序规则，和插入顺序无关。意思就说，序列式容器中每个元素的位置与插入的顺序对应，而关联式容器中元素会根据特定的排序规则对每个元素进行排序，与元素插入的顺序无关，更多内容可以参考本系列后面文章介绍。
| 容器 | 特征 | 内存结构 | 可随机存取 | 元素搜寻速度 | 头文件 |
| vector | 在序列尾部进行插入和删除，访问和修改元素的时间复杂度为O(1)， 但插入和删除的时间复杂度与到末尾的距离成正比。 |
单端数组 | 可以 | 慢 | <vector> |
| list | 对任意元素的访问与两端的距离成正比，但对某个位置的插入和删除 花费为常数时间，即O(1) |
双向链表 | 否 | 非常慢 | <list> |
| deque | 与vector基本相同，唯一不同的是，在序列头部插入和删除的 时间复杂度也是O(1) |
双端数组 | 可以 | 慢 | <deque> |
| set | 由节点组成的红黑树，具有快速查找的功能 | 二叉树 | 否 | 快 | <set> |
| multiset | 可以支持重复元素，同样具有快速查找能力 | 二叉树 | 否 | 快 | <set> |
| map | 由{键，值}对组成的集合，同样具有快速查找能力 | 二叉树 | 对key而言可以 | 对key而言快 | <map> |
| multimap | 一个键可以对应于多个值，同样具有快速查找能力 | 二叉树 | 否 | 对key而言快 | <map> |
| 操作 | Dictionary<Key,Value> | SortedDictionary<Key,Value> |
| this[key] | O(1) | O(logn) |
| Add(key,value) | O(1) | O(logn) |
| Remove(key) | O(1) | O(logn) |
| ContainsKey(key) | O(1) | O(logn) |
| ContainsValue(value) | O(1) | O(n) |
3.2 算法
3.3 迭代器
STL实现要点是将容器和算法分开，使两者彼此独立。迭代器使两个联系起来，迭代器提供访问容器中的方法。迭代器实质上是一种智能指针，它重载了->和*操作符。事实上，C++指针也是一种迭代器。在C#中同样有迭代器的概念，具体参考MSDN：http://msdn.microsoft.com/zh-cn/library/dscyy5s0(v=vs.90).aspx，不同的是，在C++ 中迭代器分为五类，这五类分别为：
- 输入迭代器（Input Iterator）——提供对数据的只读访问；
- 输出迭代器（Output Iterator）——提供对数据的只写访问；
- 前推迭代器（Forward Iterator）——提供对数据的读写操作，并能向前推进的迭代器；
- 双向迭代器（Bidirectional Iterator）——提供对数据的读写操作，并能向前和向后操作；
- 随机访问迭代器（Random Access Iterator）——提供对数据的读写操作，并能在数据中随机移动。
3.4 函数对象
函数对象，又称为仿函数，STL中的函数对象就是重载了运算符()的模板类的对象，因为该类对象的调用方式类似与函数的调用方式，所以称为函数对象，函数对象类似于C#中的委托对象，熟悉C#的朋友肯定知道，我们可以隐式地调用委托，即委托对象(实参)，更多关于委托内容可以参考我的博文：委托的本质论。
3.5 适配器
适配器是用来修改其他组件接口，与设计模式中的适配器模的达到的效果是一样的。STL中定义了3种形式的适配器：容器适配器、迭代器适配和函数适配器。
容器适配器——包括栈（stack）、队列（queue）和优先队列（priority_queue），容器适配器是对基本容器类型进行进一步的封装，从而转换为新的接口类型。
迭代器适配器——对STL中基本迭代器的功能进行扩展，该类适配器包括反向迭代器、插入迭代器和流迭代器。
函数适配器——通过转换或修改来扩展其他函数对象的功能。该类适配器有否定器、绑定器和函数指针适配器。函数对象适配器的作用就是使函数转化为函数对象，或将多参数的函数对象转换为少参数的函数对象，如STL中bind2nd()就是绑定器。
3.6 空间配置器
当容器中保存的是用户自定义类型数据时，有的数据类型结构简单，占用的空间很小，而有的数据类型结构复杂，占用的内存空间较大；并且有的应用程序需要频繁地进行数据的插入删除操作，这样就需要对内存空间进行频繁地申请和释放工作，然而对内存的频繁操作，会产生严重的性能问题，为了解决这个问题，STL中提供了两个空间配置器，一个是简单空间配置器，仅仅对C运行库中malloc和free进行了简单的封装操作，另一个是“基于内存池的控件配置器”，即容器在每次申请内存的时候，内存池会基于一定的策略，向操作系统申请交大的内存空间，从而避免每次都向OS申请内存。STL中的空间配置器就是负责内存的分配和释放的工作。
四、STL中容器使用示例
看完STL组件之后，现在我们具体看看如何使用STL中的容器进行编程，下面示例是对vector容器进行简单的几个操作。具体代码如下：
#include <iostream>
// 要使用vector容器必须加入vector头文件
#include <vector>
// 引入算法头文件
#include <algorithm>
// 引入std命名空间，如果不引入命名空间，则必须像std::vector这样方式来使用vector容器
using namespace std;
void main()
{
// 初始化vector容器对象
vector<int> vec;
for(int i=0;i<10;i++)
{
// 向vector中添加一个元素
vec.push_back(i);
}
// 使用数组初始化vector容器
int a[]={3,2,1,0,9,5};
vector<int> vec2(a,a+6); // 使用a数组第一位到第六位来初始化vector容器
// 定义迭代器对象
vector<int>::iterator begin;
// 遍历vector集合
for(begin =vec.begin();begin!=vec.end();begin++)
{
// 输出vector容器中的元素
cout<<*begin<<" ";
}
cout<<endl;
// 对vec2容器排序
sort(vec2.begin(),vec2.end());
// 遍历vector集合
cout<<"对vec2容器排序后的结果："<<endl;
for(begin =vec2.begin();begin!=vec2.end();begin++)
{
// 输出排序后vec2容器中的元素
cout<<*begin<<" ";
}
cout<<endl;
}
上面代码的输出结果如下图所示：
五、小结