【C++标准库】STL基础

STL是C++标准库的核心，STL组件中最关键的是容器、迭代器和算法。容器是用来管理某类对象的集合；迭代器为所有各式各样的容器提供了一组共通的接口；算法用于处理集合内的元素。

STL的基本概念是将数据和操作分离，数据由容器加以管理，操作则由可定制的算法定义，迭代器在二者之间充当粘合剂。

容器

• 序列式容器 array、vector、deque双端队列、list双向链表、forward_list单向链表
• 关联式容器 set、multiset、map、multimap
• 无序容器 unordered_set、unordered_multiset、unordered_map、unordered_multimap

关联式容器是由二叉树实现出来，可以快速的找出一个具有某特定value的元素。set元素依据value自动排序，元素不允许重复；multiset元素依据value自动排序，元素允许重复；map每个元素都是key/value对，其中key为排序准则，key不允许重复；multimap每个元素都是key/value对，其中key为排序准则，key允许重复.

#include "stdafx.h"
#include <iostream>
#include <map>
#include <string>

using namespace std;

int main()
{
    multimap<int, string> coll;
    coll = {
        {5,"tagged"},{2,"a"},{1,"this"},{4,"of"},{6,"strings"},{1,"is"},{3,"multimap"}
    };
    for (const auto& elem : coll)
    {
        cout << elem.second << " ";   //--> this is a multimap of tagged strings
    }
    cout << endl;
    return 0;
}

 无序容器常以hash table实现出来，无序容器的主要优点是，当你打算查找出一个某特定值的元素，其速度甚至可能快过关联式容器。

容器适配器Container Adapter

容器适配器是根据基本容器实现而成，用于满足特定的需求。包括stack、queue、priority queue

 迭代器Iterator

迭代器是一个可遍历STL容器全部或者部分元素的对象。迭代器具有遍历复杂数据结构的能力，每一种容器都必须提供自己的迭代器，事实上每一种容器都将迭代器以嵌套的形式定义于class内部。因此各种迭代器的接口虽然相同，但其内部实现确各自不同。

 所有容器类型都提供了一些基本的成员函数，使得可以取得迭代器并以之遍历容器元素。

begin()  返回一个迭代器，指向容器第一个元素

end()  返回一个迭代器，返回容器最后一个元素的下一个元素（尾后迭代器）

空区间的begin()等于end()

任何容器都定义有两种迭代器类型：

• container::iterator 以“读写”模式遍历元素
• container::const_iterator 以“只读”方式遍历元素

自C++11起，容器提供了cbegin()和cend()，它们返回类型为container::const_iterator的对象。

 算法 Algorithm

算法并非是容器的成员函数，而是一种搭配迭代器使用的全局函数。这样做的优势在于所有算法只需要实现一份，就可以对所有容器运作。为了操作容器元素的某个子集，需要将区间首尾作为参数传入算法，调用者需要确保指定的区间是有效的。所有算法处理的都是半开区间。

min_element() 返回容器最小元素的位置

max_element() 返回容器最大元素的位置

sort() 排序

find() 查找元素，查找成功则返回一个迭代器指向目标元素，查找失败则返回第二个实参指示的区间末端

reverse() 将区间内元素反转

有些算法需要处理多个区间，通常必须设定第一个区间的起点和终点，其他区间只需设定起点即可，终点通常可由第一个区间的元素数量推导出来。必须确保第二个（其他）区间的元素个数至少和第一个区间元素个数一样多。可以（1）确保目标区间内有足够元素，（2）使用插入迭代器

 迭代器之适配器 Iterator Adapter

1. Insert Iterator 安插型迭代器

Insert Iterator可以使算法以插入而非覆写的方式运作，促使目标区间的大小按照需要增长。有三种Insert Iterator:

#include "stdafx.h"
#include <iostream>
#include <list>
#include <string>
#include <vector>
#include <set>
#include <deque>
#include <iterator>
#include <algorithm>
using namespace std;

int main()
{
    list<int> coll1 = { 1,2,3,4,5,6,7,8,9 };
    //copy elements by appending them
    vector<int> coll2;
    copy(coll1.cbegin(), coll1.cend(), back_inserter(coll2));
    for (auto elem:coll2)
    {
        cout << elem << " ";
    }
    cout << endl;
    //copy elements by inserting them at the front
    deque<int> coll3;
    copy(coll1.cbegin(), coll1.cend(), front_inserter(coll3));
    for (auto elem : coll3)
    {
        cout << elem << " ";
    }
    cout << endl;
    //works for associative collections
    set<int> coll4;
    copy(coll1.cbegin(), coll1.cend(), inserter(coll4, coll4.begin()));
    for (auto elem : coll4)
    {
        cout << elem << " ";
    }
    cout << endl;
    return 0;
}

 back_inserter 安插于容器最末端，其内部是调用push_back()

front_inserter 安插于容器最前端，其内部调用push_front()

inserter 内部调用insert()，在“初始化时接收的第二个实参位置的前方插入元素”

 2. Stream Iterator 串流迭代器

3. Reverse Iterator 反向迭代器

所有提供双向或者随机访问迭代器的容器（即forward_list之外的所有序列式容器和所有关联容器）都可以通过其成员函数rbegin()和rend()产生一个反向迭代器，通过crbegin()和crend()产生只读反向迭代器。

#include "stdafx.h"
#include <iostream>
#include <vector>
#include <iterator>
#include <algorithm>
using namespace std;

int main()
{
    vector<int> coll;
    for (int i = 1;i <= 9;++i)
    {
        coll.push_back(i);
    }
    copy(coll.crbegin(), coll.crend(), ostream_iterator<int>(cout, " "));  //9 8 7 6 5 4 3 2 1
    cout << endl;
    return 0;
}

 4. Move Iterator 搬移迭代器

函数作为算法的实参

有些算法可以接受用户自定义的函数作为实参，以提高算法的弹性和能力。

#include "stdafx.h"
#include <iostream>
#include <vector>
#include <iterator>
#include <algorithm>
using namespace std;

void print(int elem)
{
    std::cout << elem << " ";
}
int main()
{
    vector<int> coll;
    for (int i=1;i<=9;++i)
    {
        coll.push_back(i);
    }
    //print all elements
    for_each(coll.cbegin(), coll.cend(), print);  //1 2 3 4 5 6 7 8 9
    cout << endl;
    return 0;
}

使用判断式 Predicate

predicate是一种特殊的辅助函数，其返回bool值，常被用于指定作为排序准则或者查找准则。

Lambda表达式

Lambda表达式完整声明格式如下：

[capture list] (params list) mutable exception-> return type { function body }

其中：

1. capture list：捕获外部变量列表
2. params list：形参列表
3. mutable指示符：用来说用是否可以修改捕获的变量
4. exception：异常设定
5. return type：返回类型
6. function body：函数体

#include "stdafx.h"
#include <iostream>
#include <vector>
#include <string>
#include <algorithm>
using namespace std;


int main()
{
    vector<int> coll = { 3,2,5,4,1,8};
    sort(coll.begin(), coll.end(), [](int a, int b)->bool {return a < b;});
    for (auto elem : coll)
    {
        cout << elem << " ";  //1 2 3 4 5 8
    }
    cout << endl;
    return 0;
}

 函数对象Function Object(仿函数functor)

#include "stdafx.h"
#include <iostream>
#include <vector>
#include <string>
#include <algorithm>
using namespace std;

class PrintInt
{
public:
    void operator()(int elem) const //使用operator()定义函数对象
    {
        std::cout << elem << " ";
    }
};
int main()
{
    vector<int> coll;
    for (int i = 1;i <= 9;++i)
    {
        coll.push_back(i);
    }
    for_each(coll.cbegin(), coll.cend(), PrintInt()); //1 2 3 4 5 6 7 8 9
    cout << endl;
    return 0;
}

 C++标准库内有若干预定义的函数对象，涵盖了许多基础运算。定义于头文件functional中。

#include "stdafx.h"
#include <iostream>
#include <deque>
#include <string>
#include <algorithm>
#include <functional>
using namespace std;

int main()
{
    deque<int> coll = { 1,2,3,5,7,11,13,17,19 };
    for (auto elem : coll) { cout << elem << " "; }
    cout << endl;
    transform(coll.cbegin(), coll.cend(), coll.begin(), negate<int>());
    for (auto elem : coll) { cout << elem << " "; }
    cout << endl;
    //square elements in coll
    transform(coll.cbegin(), coll.cend(), //first source
        coll.cbegin(), //second source
        coll.begin(),  //destination
        multiplies<int>()); //operation
    for (auto elem : coll) { cout << elem << " "; }
    cout << endl;
    return 0;
}

 Binder 将预定义的函数对象和其他数值结合为一体。

#include "stdafx.h"
#include <iostream>
#include <set>
#include <deque>
#include <iterator>
#include <algorithm>
#include <functional>
using namespace std;
using namespace std::placeholders; //占位符
int main()
{
    set<int, greater<int>> coll1 = { 1,2,3,4,5,6,7,8,9 };
    deque<int> coll2;
    for (auto elem : coll1) { cout << elem << " "; } //9 8 7 6 5 4 3 2 1
    cout << endl;
    //transform elements to coll2 by multiplying with 10
    transform(coll1.cbegin(), coll1.cend(), back_inserter(coll2), bind(multiplies<int>(), _1, 10));  // _1占位符
    for (auto elem : coll2) { cout << elem << " "; } //90 80 70 60 50 40 30 20 10
    cout << endl;
    //replace 70 with 42
    replace_if(coll2.begin(), coll2.end(), bind(equal_to<int>(), _1, 70), 42);
    for (auto elem : coll2) { cout << elem << " "; } //90 80 42 60 50 40 30 20 10
    cout << endl;
    return 0;
}

bind()将低层的函数对象和占位符合成高层的函数对象，占位符为“带有前缀下划线”的数值标识符。

bind(multiplies<int>(),_1,10) 便定义出一个函数对象，将第一个实参乘以10