C++_标准模板库STL概念介绍4-算法

STL包含很多处理容器的非成员函数：

sort()

copy()

find()

random_shuffle()

set_union()

set_intersection()

set_difference()

transform()

它们的总体设计是相同的，都使用迭代器来标识要处理的数据区间和结果的放置位置。

有些函数还接受一个函数对象参数，并使用它来处理数据。

对于算法函数设计来说、有两个主要的通用部分：

1）都使用模板来提供泛型；

2）都使用迭代器来提供访问容器中数据的通用表示；

因为指针是一种特殊的迭代器，因此诸如copy()等STL函数可用于常规数组。

统一的容器设计使得不同类型的容器之间具有明显关系。

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一、算法组：

STL将算法库分成4组：

1）非修改式序列操作

2）修改式序列操作

3）排序和相关操作

4） 通用数字运算

非修改式序列操作对区间中的每个元素进行操作。这些操作不修改容器的内容。

修改式序列操作也对区间中的每个元素进行操作。它们可以修改容器的内容。可以修改值，也可以修改值的排列顺序。

排序和相关操作包括多个排序函数（包括sort()）和其他各种函数，包括集合操作。

数字操作包括将区间的内容累积、计算两个容器的内部乘积、计算小计、计算相邻对象差的函数。

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二、算法的通用特征：

STL函数使用迭代器和迭代器区间。从函数原型可知有关迭代器的假设。

例如：copy()函数的原型如下

template<class InputIterator,  class OutputIterator>

OutputIterator copy(InputIterator first, InputIterator last, OutputIterator result); 

对算法进行分类的方式之一，就是按结果放置的位置进行分类。

有些算法就地完成工作，有些则创建拷贝。

在sort()函数完成时，结果被存放在原始数据的位置上，因此sort()是就地算法。

copy()函数将结果发送到另一个位置，所以它是复制算法。

transform()函数可以以这两种方式完成工作。与copy()相似，它使用输出迭代器指示结果的存储位置；

与copy()不同的是，transform()允许输出迭代器指向输入区间，因此它可以用计算结果覆盖原来的值。

有些算法有两个版本：就地版本和复制版本。STL的约定是，复制版本的名称将以_copy结尾。

例如，函数replace()的原型如下：

template<class ForwardIterator, class T>

void replace(ForwardIterator first, ForwardIterator last, const T& old_value, const T& new_value);

它将所有的old_value替换为new_value，这是就地发生的。

复制版本的原型如下：

template<class InputIterator, class OutputIterator, class T>

OutputIterator replace_copy(InputIterator first, InputIterator last, OutputIterator result, const T& old_value, const T& new_value);

结果被复制到result指定的新位置。

注意replace_copy返回类型为OutputIterator，对于复制算法而言，统一的约定是，返回一个迭代器，该迭代器指向复制的最后一个值后面的一个位置。

还有一种常见的变体：

以_if结尾的；根据将函数应用于容器元素得到的结果来执行操作。//这段话很绕，不是很理解

原型如下：

template<class ForwardIterator, class Predicate， class T>

void replace_if(ForwardIterator first, ForwardIterator last, Predicate pred, const T& new_value);

Predicate是模板参数名称，可以为T或者U。然而，STL选择用Predicate来提醒用户，实参应模拟Predicate概念。

同样，STL使用诸如Generator和BinaryPredicate等术语来指示必须模拟其他函数对象概念的参数。

虽然STL文档可以指定迭代器或函数符的需求，但编译器不会对此进行检查。

如果您使用了错误的迭代器，则编译器试图实例化模板时，将出现大量错误信息。

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三、STL和string类：

sting类虽然不是STL的组成部分，但设计它时考虑到了STL。

例如，它包含begin()、end()、rbegin()和rend()等成员，因此可以使用STL接口。

下面的例子是用STL显示了一个词的字母可以得到的所有排列组合。

// strgst1.cpp -- applying the STL to a string
#include <iostream>
#include <string>
#include <algorithm>

int main()
{
    using namespace std;
    string letters;
    cout<<"Enter the letter grouping (quit to quit): ";
    while(cin>>letters && letters != "quit")
    {
        cout<<"Permutations of "<<letters<<endl;
        sort(letters.begin(), letters.end());
        cout<<letters<<endl;
        while (next_permutation(letter.begin(), letter.end()))
            cout<<letter<<endl;
        cout<<"Enter next sequence (quit to quit): ";    
    }
    cout<<"Done.
";
    return 0;
}

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四、函数和容器方法：

有时可以选择使用STL方法或者STL函数。通常方法是更好的选择。

因为，它更适合特定的容器，其次容器方法作为成员函数，它可以使用模板类的内存管理工具，从而在需要的时候调整容器的长度。

举个例子，假设有一个由数字组成的链表，并要删除链表中某个特定值（例如4）的所有实例。

如果la是一个list<int>对象，则可以使用链表的remove()方法：

la.remove(4);  //remove all 4s from the list；

调用该方法后，链表中所有值为4的元素都将被删除，同时链表的长度将被自动调整。

还有一个名为remove()的STL算法，它不是由对象调用，而是接受区间参数。因此如果lb是一个list<int>对象，则调用该函数的代码如下：

remove(lb.begin(), lb.end(), 4);

然而，由于该remove()函数不是成员，因此不能调整链表的长度。它将没被删除的元素放在链表的开始位置，并返回一个指向新的超尾值得迭代器。

这样，便可以用迭代器来修改容器的长度。

例如，可以使用链表的erase()方法来删除一个区间，该区间描述了链表中不再需要的部分。

下面是一个例子，演示了如何进行：

//listrmv.cpp  -- applying the STL to a string
#inclue <iostream>
#inclue <list>
#inclue <algorithm>

void Show(int);
const int LIM = 10;

int main()
{
    using namespace std;
    int ar[LIM] = {4,5,4,2,2,3,4,8,1,4};
    list<int> la(ar, ar+LIM);
    list<int> lb(la);
    cout<<"Original list contents:
	";
    for_each(la.begin(), la.end(), Show);
    
    cout<<endl;
    la.remove(4);
    cout<<"After using the remove() method:
";
    cout<<"la:	";
    for_each(la.begin(), la.end(), Show);
    cout<<endl;
    
    list<int>::iterator last;
    last = remove(la.begin(), lb.end(), 4);
    cout<<"After using the remove() function:
";
    cout<<"lb:	";
    for_each(lb.begin(), lb.end(), Show);
    cout<<endl;
    
    lb.erase(last, lb.end());
    cout<<"After using the erase() method:
";
    cout<<"lb:	";
    for_each(lb.begin(), lb.end(), Show);
    cout<<endl;
    return 0;
}

void Show(int v)
{
    std::cout<<v<<' ';
}

程序输出：

Original list contents:
4 5 4 2 2 3 4 8 1 4

After using the remove() method:
la: 5 2 2 3 8 1

After using the remove() function:
lb: 5 2 2 3 8 1 4 8 1 4

After using the erase() method:
lb: 5 2 2 3 8 1

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五、使用STL：

STL是一个库，其组成部分被设计成协同工作。

STL组件是工具，但也是创建其他工具的部件。

接下来用一个例子来练习：

假设要编写一个程序，让用户输入单词。希望最后得到一个按输入顺序排列的单词列表、

一个按字母顺序排列的单词列表（忽略大小写），并记录每个单词被输入的次数。

出于简化的目的，假设输入的过程中不添加数字和标点符号。

输入和保存单词列表很简单，创建一个vector<string>对象，并用push_back()将输入的单词添加到矢量中

vector<string> words;

string input;

while(cin>>input && input != 'quit')

　　words.push_back(input);

 

接下来如何将得到的单词列表按字母顺序排列：

为了避免覆盖原始数据，不能够使用就地算法。

可以创建一个set<string>对象，然后将矢量中的单词复制到集合中（需要使用迭代器）。

set<string> wordset;

transform(words.begin(), words.end(), insert_iterator<set<string>>(wordset, wordset.begin()), ToLower)

至于ToLower函数的编写如下：

string & ToLower(string & st)

{

　　transform(st.begin(), st.end(), st.begin(), tolower);

　　return st ;

}

有些情况下，tolower()函数被定义为int tolower(int)，而我们希望函数与元素类型相匹配。

char toLower(char ch) {return tolower(ch);}

要获得每个单词在输入中出现的次数，可以使用count()函数。

它将一个区间和一个值作为参数，并返回这个值在区间中出现的次数。

map<string, int> wordmap;

set<string>::iterator si;

for(si = wordset.begin(), si != wordset.end(), si++)

　　wordmap.insert(pair<string, int>(*si, count(words.begin(), words.end(), *si)));

map类有个有趣的特征，可以用数组表示法（将键作为索引）来访问存储的值。

例如，wordmap["the"]表示与键“the”相关联的值，这里是字符串“the”出现的次数。

因为wordset容器保存了wordmap使用的全部键，所以可以用下面的代码来存储结果：

for(si = wordset.begin(), si != wordset.end(), si++)

　　wordmap[*si] = count(words.begin(), words.end(), *si);

同样也可以使用数组表示法来报告结果：

for(si = wordset.begin(), si !=wordset.end(), si++)

　　cout<<*si<<": "<<wordmap[*si]<<endl;

//usealgo.cpp -- using several STL elements
#include <iostream>
#include <string>
#include <vector>
#include <set>
#include <map>
#include <iteraotor>
#include <algorithm>
#include <cctype>

using namespace std;

char toLower(cahr ch) {return tolower(ch);}
string & ToLower(string & st);
void display(const string & s);

int main()
{
    vector<string> words;
    cout<<"Enter words(enter quit to quit):
";
    string input;
    while(cin>>input && input != "quit")
        words.push_back(input);

    cout<<"You entered the following words:
";
    for_each(words.begin(), words.end(), display);
    cout<<endl;

    //place words in set, converting to lowecase
    set<string> wordset;
    transform(words.begin(),words.end(), insert_iterator<set<string>>(wordset, wordset.begin()));
    cout<<"
Alphabetic list of words:
";
    for_each(wordset.begin(), wordset.end(), display);
    cout<<endl;

    //place word and frequency in map
    map<string, int> wordmap;
    set<string> :: iterator si;
    for(si = wordset.begin(); si != wordset.end(); si++)
        wordmap[*si] = count(words.begin(), words.end(), *si);
    //display map contents
    cout<<"
Word frequency:
";
    for(si = wordset.begin(); si != wordset.end(); si++)
        cout<<*si<<": "<<wordmap[*si]<<endl;
    return 0;    
}

string & ToLower(string & st)
{
    transform(st.begin(), st.end(), st.begin(), toLower);
    return st;
}

woid display(const string & s)
{
    cout<<s<<" ";
}

STL使用时应尽可能减少要编写的代码。

STL通用、灵活的设计将节省大量的工作。

另外，STL的设计者都是非常关心效率的算法人员，

算法是经过仔细选择的，并且是内联的。