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【C++ 系列笔记】06 C++ STL

STL

介绍

简介

（Standard Template Library）标准模板库

广义上分为三类：

容器（container）
算法（algorithm）
迭代器（iterator）

六大组件：

容器

一种类模板，有各种数据结构。
算法

一种函数模板，有各种常用算法。
迭代器

一种类模板，迭代器是容器与算法之间的胶合剂。
仿函数（伪函数）

一种类模板，用来协助算法完成不同的策略。
适配器（配接器）

一种用来修饰容器或者仿函数或迭代器接口的东西。
空间配置器

一种类模板，负责空间的配置和管理。

容器

两类：

序列式容器

如 Vector、Deque、List 等，序列式容器强调值的顺序，每个元素都有物理意义上固定的系列关系。
关联式容器

如 Set/multiset、Map/multimap 等，关联式容器是非线性的容器，元素之间没有顺序关系，例如树结构。

JSON 就是关联式容器。

算法

两类：

质变算法

质变算法是运算过程会改变元素内容的算法，例如拷贝，替换，删除。
非质变算法

非质变算法是运算过程不会改变元素内容的算法，例如查找、计数、遍历。

迭代器

迭代器是依顺序访问某个容器所含的各个元素的方法。

种类：

输入迭代器

提供对数据的只读访问，支持 ++、==、!=
输出迭代器

提供只写访问，支持 ++
前向迭代器

提供读写访问，并且可以向前推进迭代器，支持 ++、==、!=
双向迭代器（使用较多）

提供读写访问，并且可以前后推进迭代器，支持 ++、==
随机访问迭代器（使用较多）

提供读写访问，并可以跳跃方式访问容器的任意数据，功能最强，

支持 ++、–、[n]、-n、<、<=、>、>=

针对实现来说，有几种类型的迭代器：

iterator 普通迭代器
reverse_iterator 逆序迭代器
const_iterator 只读迭代器

常用容器

string 容器

assign 方法

string& assign(const char* s,int n);
// 将字符串 s 的前 n 个字符赋值给当前字符串

string& assign(const strubg& s,int start, int n);
// 将字符串 s 从 start 开始的 n 个字符赋值给当前字符串，n 从 0 开始

字符串存取

char& operator[](int n);
// 访问越界就崩了
char& at(int n);
// 访问越界会抛出异常

字符串查找

正找：

int find(const string& str, int pos = 0) const;
// 从 pos 开始查找，返回 str 在当前字符串中第一次出现的位置。

int find(const string& str, int pos, int n) const;
// 从 pos 开始查找，返回 str 的前 n 个字符在当前字符串中第一次出现的位置。

倒找：

int rfind(const string& str, int pos = npos) const;
// 从 pos 开始查找，返回 str 在当前字符串中最后一次出现的位置。

int rfind(const string& str, int pos, int n) const;
// 从 pos 开始查找，返回 str 的前 n 个字符在当前字符串中最后一次出现的位置。

找不到返回 -1

字符串替换

string& replace(int pos, int n, const string& str);
// 替换从 pos 开始的 n 个字符为字符串 str

字符串截取（子串）

string substr(int pos = 0, int n = npos) const;
// 返回从 pos 开始的 n 个字符组成的字符串

应用：

获取两文本中间

string getMiddleStr(string source,string left, string right) {
  return source.substr(source.find(left),
                       source.find(right) - source.find(left));
}

字符串插入和删除

string& insert(int pos, const string& s);
// 将 s 插入到当前字符串的 pos 位置后

string& erase(int pos, int n = npos);
// 删除从 pos 开始的 n 个字符

C-style 字符串转换
```
const char* p = str.c_str();
```

vector 容器

（单端数组、动态数组）

vector 内部维护一段线性空间，当空间不足时会额外开辟一段连续的更大的空间，然后进行数据的拷贝，最后丢弃原空间。

他被称为单端数组，是因为其一端封闭，数据仅在另一端成长，这导致其头插数据的开销非常大，这个问题可由 deque 容器解决，deque 容器是双端数组，而且其拥有更小的扩容开销。

头文件
```
#include <vector>
```

获得一个容器（构造函数）

vector<type> v;
// 默认构造

vector<type> v(type* begin, type* end);
// 将 begin 到 end 指向的内存范围拷贝给自身

注意！end 指向的是尾元素的下一个位置。

vector<type> v(size_t n, type elem);
// 将 n 个 elem 拷贝给自身

数据操作

拷贝

void assign(type* begin, type* end);
// 将 begin 到 end 指向的内存范围拷贝给自身

void assign(size_t n, type elem);
// 将 n 个 elem 拷贝给自身

交换
```
void swap(vector& v2);
// 互换两容器的内容
```
swap 的应用：收缩内存

vector 在缩小长度的时候并不会缩小容量（这个结论后面会通过代码检验），那么饿我们想要收缩容量，可以使用 swap。
```
vector<int>(oldV).swap(oldV);
```
resize 后，尾指针将移动至新范围的尾部，此时通过拷贝构造实例化的新对象便仅拷贝新范围内的数据，然后通过 swap 来交换容器的指针，就拿到收缩了内存的容器。

此后匿名对象会自行销毁。
是否为空
```
bool empty();
```
获取容量
```
size_t capacity()
```
获取大小
```
size_t size()
```

改变大小

void resize(size_t newSize, type val);
// 若容器变大，则多余位置由 val 填充

void resize(size_t newSize);
// 若容器变大，则多余位置由 0 填充

预留内存

void reserve(const size_t newcapacity);

数据存取

直接访问：

type& operator[](size_t n);
// 访问越界就崩了
type& at(size_t n);
// 访问越界会抛出异常

获取首尾元素：

type& front();
// 返回容器的首个元素的引用

type& back();
// 返回容器的尾元素的引用

尾插尾删：

void push_back(type& ele);
void pop_back();

数据插入：

iterator insert(iterator where, size_t count, type val);
// 从 where 处前插 count 个值 val

iterator insert(iterator where, type val);
// 从 where 处前插 1 个值 val

iterator insert(iterator where, iterator first, iterator last);
// 将 first 到 last 范围内的数据插入至 where

数据删除：

iterator erase(iterator first, iterator last);
// 删除迭代器从 first 到 last 之间的元素

iterator erase(iterator where);
// 删除迭代器指向的元素

void clear();
//删除容器中所有元素

迭代器

先拿到迭代器

// 首指针
vector<int>::iterator itBegin = v.begin();
// 尾指针（最后一个元素的下一个位置）
vector<int>::iterator itEnd = v.end();

方法一

vector<int>::iterator itBegin = v.begin();
vector<int>::iterator itEnd = v.end();
while (itBegin != itEnd) {
  cout << *itBegin++ << endl;
}

方法二

for (vector<int>::iterator it = v.begin(); it != v.end(); it++) {
  clog << *it << endl;
}

方法三：算法

#include <algorithm>
// ...
void callback(int value) {
  cout << value;
}
// ...
for_each(v.begin(), v.end(), callback);

方法四：

for (auto& ele : v) {
  cout << ele << endl;
}

这是基于范围的 for 循环，C++11 的语句。

另：

为了能跟写 python 和 js 一样爽，我实现了一个 range 类。

class range {
 private:
  long* startp;
  long* endp;

 public:
  long* begin() { return this->startp; }
  long* end() { return this->endp; }
  range(long min, long max) {
    if (min > max) {
      long temp = min;
      min = max;
      max = temp;
    }
    this->startp = new long[max - min + 2];
    this->endp = startp + max - min + 1;
    for (long ele = min; ele <= max; ele++) {
      startp[ele - min] = ele;
    }
  }
  ~range() { delete[] startp; }
};

当我们想要循环指定次数时再也不用写一长串了，只需要简单的：

for (auto& ele : range(10, 20)) {
  cout << ele << endl;
}

逆序遍历：

拿到迭代器 rbegin()、rend()

// 首指针
vector<int>::reverse_iterator itBegin = v.rbegin();
// 尾指针（最后一个元素的下一个位置）
vector<int>::reverse_iterator itEnd = v.rend();

迭代方法不变，例如：

vector<int>::reverse_iterator itBegin = v.rbegin();
vector<int>::reverse_iterator itEnd = v.rend();
while (itBegin != itEnd) {
  cout << *itBegin++ << endl;
}

随机访问迭代器

vector 的迭代器是随机访问迭代器，要判断某迭代器是否是随机访问迭代器，可用下述代码测试：
```
iterator it = foo.begin();
it = it + 3;
```
编译通过说明是随机访问迭代器，不通过说明不是。

vector 的空间分配策略：

vector 维护的是一段线性空间，当空间不足时会开辟一段连续的更大的空间，然后进行数据的拷贝。

扩展空间时，扩展量大致是当前空间的 1.5 倍。

不会缩小空间。

测试代码：

#include <iostream>
#include <vector>
using namespace std;
int main() {
  vector<int> v;
  int oldCapacity = 0;
  // 添加数据
  for (auto& val : range(1, 100000)) {
    v.push_back(val);
    if (oldCapacity != v.capacity()) {
      cout << v.capacity() << endl;
    }
    oldCapacity = v.capacity();
  }
    
  cout << endl;
  // 删除数据
  for (auto& val : range(1, 100000)) {
    v.pop_back();
    if (oldCapacity != v.capacity()) {
      cout << v.capacity() << endl;
    }
    oldCapacity = v.capacity();
  }

  system("pause");
  return EXIT_SUCCESS;
}

输出：

1
2
3
4
6
9
13
19
28
42
63
94
141
211
316
474
711
1066
1599
2398
3597
5395
8092
12138
18207
27310
40965
61447
92170
138255

请按任意键继续. . .

注意！

vector 分配空间的策略如此，当容器扩展后，所有迭代器将失效。

deque 容器

（双端数组、没有容量）

deque 是双端数组，其成长方向有两个，这使得其前后插入数据的开销是一个常数，解决了 vector 头插开销令人难以接受的问题。

deque 容器的扩容也与 vector 非常不同，vector 是不断地申请新空间，不断地对数据进行拷贝迁移。

而 deque 则是将新申请到的空间串接在一端，其内部维护着这些分段空间，维持着整体连续的假象。这也造成了其代码实现要比 vector 或 list 多得多，迭代器的架构也非常复杂。

头文件
```
#include <deque>
```

获得一个容器（构造函数）

deque<type> v;
// 默认构造

deque<type> v(type* begin, type* end);
// 将 begin 到 end 指向的内存范围拷贝给自身

注意！end 指向的是尾元素的下一个位置。

deque<type> v(size_t n, type elem);
// 将 n 个 elem 拷贝给自身

数据操作

拷贝

void assign(type* begin, type* end);
// 将 begin 到 end 指向的内存范围拷贝给自身

void assign(size_t n, type elem);
// 将 n 个 elem 拷贝给自身

交换

void swap(deque& v2);
// 互换两容器的内容

是否为空
```
bool empty();
```
获取大小
```
size_t size()
```

改变大小

void resize(size_t newSize, type val);
// 若容器变大，则多余位置由 val 填充

void resize(size_t newSize);
// 若容器变大，则多余位置由 0 填充

数据存取

直接访问：

type& operator[](size_t n);
// 访问越界就崩了
type& at(size_t n);
// 访问越界会抛出异常

获取首尾元素：

type& front();
// 返回容器的首个元素的引用

type& back();
// 返回容器的尾元素的引用

双端插入：

void push_back(type& ele);
void push_front(type& ele);
void pop_back();
void pop_front();

数据插入：

iterator insert(iterator where, size_t count, type val);
// 从 where 处前插 count 个值 val

iterator insert(iterator where, type val);
// 从 where 处前插 1 个值 val

iterator insert(iterator where, iterator first, iterator last);
// 将 first 到 last 范围内的数据插入至 where

数据删除：

iterator erase(iterator first, iterator last);
// 删除迭代器从 first 到 last 之间的元素

iterator erase(iterator where);
// 删除迭代器指向的元素

void clear();
// 删除容器中所有元素

迭代器

使用方法与 vector 相同，均为随机访问迭代器。

stack 容器

stack（栈），是一个栈结构的容器，不提供迭代器，也不提供遍历的方法。

stack 容器允许新增元素，移除元素，取得栈顶元素。

头文件
```
#include <stack>
```
获得一个容器（构造函数）
```
stack<type> v;
// 默认构造
```

数据操作

是否为空
```
bool empty();
```
获取大小
```
size_t size()
```

数据存取

void push(type& elem);
// 压栈

void pop();
// 弹栈

type& top();
// 返回栈顶元素的引用

迭代器

stack 没有迭代器

queue 容器

queue （队列），是一个队列结构的容器，不提供迭代器，也不提供遍历的方法。

queue 容器允许从一端新增元素，从另一端移除元素。

头文件
```
#include <queue>
```
获得一个容器（构造函数）
```
queue<type> q;
// 默认构造
```

数据操作

是否为空
```
bool empty();
```
获取大小
```
size_t size()
```

数据存取

void push(type& elem);
// 往队尾添加元素

void pop();
// 从队头移除第一个元素

type& back();
// 返回最后一个元素

type& front();
// 返回第一个元素

迭代器

queue 没有迭代器

list 容器

（双向循环链表）

list 容器是双向循环链表，插入和移除数据的开销是常数。

它提供的迭代器是双向迭代器，而不是随机访问迭代器。由于链表的结构特殊性，指向有效数据的迭代器永远不会失效。

头文件
```
#include <list>
```

获得一个容器（构造函数）

list<type> l;
// 默认构造

list<type> l(type* begin, type* end);
// 将 begin 到 end 指向的内存范围拷贝给自身

注意！end 指向的是尾元素的下一个位置。

list<type> l(size_t n, type elem);
// 将 n 个 elem 拷贝给自身

数据操作

拷贝

void assign(type* begin, type* end);
// 将 begin 到 end 指向的内存范围拷贝给自身

void assign(size_t n, type elem);
// 将 n 个 elem 拷贝给自身

交换

void swap(list& l);
// 互换两容器的内容

是否为空
```
bool empty();
```
获取大小
```
size_t size()
```

改变大小

void resize(size_t newSize, type val);
// 若容器变大，则多余位置由 val 填充

void resize(size_t newSize);
// 若容器变大，则多余位置由 0 填充

数据存取

获取首尾元素：

type& front();
// 返回容器的首个元素的引用

type& back();
// 返回容器的尾元素的引用

双端插入：

void push_back(type& ele);
void push_front(type& ele);
void pop_back();
void pop_front();

数据插入：

iterator insert(iterator where, size_t count, type val);
// 从 where 处前插 count 个值 val

iterator insert(iterator where, type val);
// 从 where 处前插 1 个值 val

iterator insert(iterator where, iterator first, iterator last);
// 将 first 到 last 范围内的数据插入至 where

数据删除：

iterator erase(iterator first, iterator last);
// 删除迭代器从 first 到 last 之间的元素

iterator erase(iterator where);
// 删除迭代器指向的元素

size_t remove(type& elem);
// 删除容器中所有与 elem 值匹配的元素。
// 注意！对于自定义类型，需要重载 == 号
bool operator==(const Type& elem);

void clear();
// 删除容器中所有元素

链表操作：

void reverse();
// 反转链表

void sort();
// 排序，从小到大

void sort(funType* callback);
// 排序，通过回调函数来排序

注意！所有不提供随机访问迭代器的容器都不允许使用 STL 提供的算法。

迭代器

同期提供双向迭代器

set/multiset 容器

（关联式容器）

set 容器

set 容器的特点是，所有元素都会根据元素的键值自动排序，且不允许出现重复的键值。（可以插入重复的键值，但没用）

虽然提到键值，但其不像 map 容器一样是键值对，它的元素即是键也是值。

它的迭代器是 const_iterator，不允许修改，因为其元素关系到组织排序。

其指向有效数据的迭代器永远不会失效。

multiset 容器

multiset 容器的特点和用法与 set 容器几乎完全相同，唯一的不同点在于它允许键值重复，而 set 不允许。

两容器的底层结构是红黑树（一种平衡二叉树）。

头文件
```
#include <set>
```

获得一个容器（构造函数）

set<type> s;
multiset<type> ms;
// 默认构造

数据操作

交换

void swap(list& l);
// 互换两容器的内容

是否为空
```
bool empty();
```
获取大小
```
size_t size()
```

改变大小

void resize(size_t newSize, type val);
// 若容器变大，则多余位置由 val 填充

void resize(size_t newSize);
// 若容器变大，则多余位置由 0 填充

数据存取

对祖：

对组是库定义的一个模板类的实例，其中储存有两个数据，用于同时返回两个数据。

类型为：
```
pair<type1, type2>
```
对于一个对祖，可以通过以下属性来获取其中存储的数据：
```
p.first;
p.second;
```
分别对应 type1 和 type2。

创建对祖：
```
pair<int, string> p(10, "string");
```
或者：
```
pair<int, string> p = make_pair(10, "string");
```

数据插入：

pair<iterator, bool> insert(type elem);
    // 向容器中插入一个值

数据删除：

iterator erase(iterator first, iterator last);
    // 删除迭代器从 first 到 last 之间的元素
    
    iterator erase(iterator where);
    // 删除迭代器指向的元素
    
    size_t erase(type elem);
    // 删除容器中值为 elem 的元素
    
    void clear();
    // 删除容器中所有元素

set 查找操作：

iterator find(type& key);
    // 查找 key 是否存在，返回迭代器，未找到范围 set.end()
    
    size_t count(type& key);
    // 返回 key 的元素个数
    
    iterator lower_bound(type& key);
    // 本意是返回第一个小于等于 key 的迭代器，但实际上结果与 find 相同
    
    iterator upper_bound(type& key);
    // 返回第一个大于 key 的迭代器。
    
    pair<iterator, iterator> equal_range(type& key);
    // 返回一个 pair，包含 lower_bound 和 upper_bound 的返回值
    
    // pair 类型为 
    pair<set<type>::iterator, set<type>::iterator> p;
    // 可以通过 p 拿到两个迭代器：
    p.first, p.second;

注意！所有不提供随机访问迭代器的容器都不允许使用 STL 提供的算法。

指定容器的插入规则：

容器默认插入顺序是从小到大，如果想要自己指定插入顺序，则需要在实例化容器时额外**提供一个模板参数**。

这个类型实参里需要提供一个重载的方法，实现一个仿函数，提供排序规则。

例如：
```
class rule {
      public:
       bool operator()(const type& a, const type* b) const {
           return a > b;
       }
   };
```
实例化容器时：
```
set<type, rule> s;
```
所以，对于自定义数据类型，需要提供一个 < 号常函数重载（因为 < 是默认排序）。
```
 bool operator<(const type& obj) const {
         return /* ... */ ;
     }
```
或者提供一个排序规则。
```
set<type, rule> s;
```

迭代器

容器提供双向迭代器。

map/multimap 容器

（关联式容器）

map 与 JSON 的抽象结构相似，是键值对。插入时会根据键值排序。

元素的类型是刚才提到的 pair<T1, T2>。第一个是键，第二个是值。

与 set/multiset 容器相同，multimap 容器允许出现相同的键值，且其底层实现也是红黑树。

头文件
```
#include <map>
```
获得一个容器（构造函数）
```
map<type1, type2> m;
// 默认构造
```

数据操作

交换

void swap(map& m);
// 互换两容器的内容

是否为空
```
bool empty();
```
获取大小
```
size_t size()
```

数据存取

直接访问：

type& operator[](size_t n);
// 访问越界就崩了
type& at(size_t n);
// 访问越界会抛出异常

数据插入：

pair<iterator, bool> insert(pair<type1, type2> p);

示例：

// 1.pair
m.insert(pair<int, string>(3, "string"));

// 2.make_pair
m.insert(make_pair(3, "string"));

// 3.（一般不这样用）
m.insert(map<int, string>::value_type(3, "string"));

// 4.(伪数组) 注意！ multimap 不允许这种操作
m[1] = "string";
// 这种方法存在一个问题
// 当 m[1] 不存在时
m[1]; /* 等价于 */ m[1] = NULL;
// 对于某些类型来说，就等于 type(NULL);

数据删除：

iterator erase(iterator first, iterator last);
// 删除迭代器从 first 到 last 之间的元素

iterator erase(iterator where);
// 删除迭代器指向的元素

iterator erase(type1& key);
// 删除容器中键为 key 的元素

void clear();
// 删除容器中所有元素

查找操作：

iterator find(type1& key);
// 查找 key 是否存在，返回迭代器，未找到范围 set.end()

size_t count(type1& key); 
// 返回 key 的元素个数

iterator lower_bound(type1& key);
// 本意是返回第一个小于等于 key 的迭代器，但实际上结果与 find 相同

iterator upper_bound(type1& key);
// 返回第一个大于 key 的迭代器。

pair<iterator, iterator> equal_range(type1& key);
// 返回一个 pair，包含 lower_bound 和 upper_bound 的返回值

指定容器的插入规则：

与 set/multiset 容器相同，实例化时额外提供一个伪函数的实现，就可以了。
```
map<type1, type2, rule> m;
```

迭代器

容器提供双向迭代器。

容器总结

迭代器类型

双向迭代器

map/multimap、set/multiset、list
随机访问迭代器

string、vector、deque、
不提供迭代器

stack、queue

底层实现

单端数组

vector
双端数组

deque
双向循环链表

list
二叉树

set/multiset、map/multimap

性能

	vector	deque	list	set/multiset	map/multimap
搜寻速度	慢	慢	特慢	快	快
迭代器	随机访问	随机访问	双向	双向	双向
优点	查找效率比较高	均衡的动态增删 + 数据访问	动态增删能力强	查找效率极高	查找效率极高
弱点	头部数据操作效率低	中间数据操作效率低	查找效率低	插入效率低	插入效率低

deque 有较好的动态增删能力，但牺牲了中间数据的操作效率。

list 有着效率非常高的动态增删能力，但牺牲了查找效率。

set 和 map 以插入效率为代价来维护底层的红黑树，从而增强了在大容量数据中的查找性能。

另外，在遍历 vector 时，使用 [] 效率很高，而遍历 deque 时则应使用迭代器。

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原文地址：https://www.cnblogs.com/gaolihai/p/13149742.html

【C++ 系列笔记】06 C++ STL

Content

STL

介绍

简介

容器

算法

迭代器

常用容器

string 容器

vector 容器

deque 容器

stack 容器

queue 容器

list 容器

set/multiset 容器

set 容器

multiset 容器

map/multimap 容器

容器总结

迭代器类型

底层实现

性能