第三章：字符串、向量和数组

• string和vector是两类最重要的标准库类型，strng表示可变长的字符序列，vector存放某种给定类型对象的可变长序列。
• 迭代器是string和vector的配套类型，常被用于访问string的字符或vector的元素。
• 内置数组是更基础的类型，string和vector都是对它的抽象。
• 内置类型是由C++语言直接定义的，体现了大多数计算机硬件本身具备的能力。标准库定义了另一组具有更高级性质的类型。

命名空间的using声明

• 域操作符::：编译器从操作符左侧名字所示的作用域中寻找右侧的名字。
• 使用using声明就不需要每次指定命名空间就能使用一个名字，形如using namespace::name;，这样以后可直接使用name。
• 每个using引入一个名字，因此每个名字都必须有自己的using
• 由于头文件的代码会被拷贝到引用它的文件中，故头文件的代码不应使用using

标准库类型string

• string是标准库类型，表示可变长字符序列，定义在头文件string和命名空间std中。

定义和初始化string对象

• 如何初始化类的对象是由类本身定义。
• 例子：string的初始化

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string s1; //默认初始化，为空字符串 string s2(s1); //直接初始化，s2是s1的副本 string s2=s1; //拷贝初始化，s2是s1的副本，等价于上一行 string s3("hiya"); //直接初始化，初始化为字面值常量 string s3="hiya"; //拷贝初始化，初始化为字面值常量，等价于上一行 string s4(10,'c'); //直接初始化，初始化为10个字符'c'

• 直接初始化：不用等号，而用括号初始化变量。调用构造函数
• 拷贝初始化：用等号初始化变量。调用重载的赋值运算符
• 可以先用直接初始化构造临时量，然后拷贝初始化：string s=string(10,'c');

string对象上的操作

• 类既能定义通过函数名调用的操作（成员函数），又能定义<<、+等各种运算符在该类对象上的新含义（重载运算符）。下表列举string对象可进行的大多数操作： 
• 从iostream中读取string：用>>读取时，string对象忽略开头的空白（包括空格、换行、制表符等），从第一个真正的字符读起，直到下一处空白为止。
• string对象的<<和>>也是返回运算符左侧的iostream对象。
• 如要在iostream中读取时保留空白，需用getline函数，该函数从iostream中读取内容，直到遇到换行（换行也被读入），然后把读到的内容存入string对象（不存换行符）。
• getline也返回它的iostream，故也可作为while的条件。
• empty函数根据string对象是否为空返回一个bool
• size函数返回string对象的长度（字符数）
• size函数返回的类型是string::size_type（可用decltype得到），它是无符号类型，且能放下任何string对象的大小。（attention：不能将size与int等有符号类型混合计算）
• ==和!=验证两字符串内容是否完全相同，<、<=、>、>=比较两字符串的字典顺序（大小写敏感）
• 用=进行string对象的拷贝和赋值
• 用+拼接两string对象，也可拼接一个string对象和一个字符串字面值（类型转换），但不能拼接两个字符串字面值。因为string和字符串字面值是不同的类型

处理string对象中的字符

• 在cctype头文件中定义了一组函数用于处理字符，如下表： 
• C++标准库兼容了C标准库，C中命名为name.h的头文件，在C++中被命名为cname，它们内容一样，但cname中的名字属于命名空间std，name.h中的名字不属于任何命名空间。（所以最好不要用C标准库）
• 范围for语句：用for(declaration:expression)遍历给定序列的每个元素。其中expression是一个序列，declaration定义一个变量，用于访问序列中的元素，常用auto。
• 使用范围for时，如果要改变序列中元素的值，必须把循环变量定义为引用类型。
• 例子：范围for中改变元素

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string s("hello,world!"); for(auto &c:s) //要改变序列中的元素，必须声明为引用类型 c=toupper(c); cout<<s<<endl;

• 访问string对象中的单个字符有两种方式：下标和迭代器
• 下标运算符[]接受string::size_type（unsigned）类型的值，返回该位置上字符的引用（因此可修改字符）。若给索引提供signed值，会转为string::size_type表示的unsigned
• 例子：用下标迭代

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for(decltype(s.size()) index=0; //用decltype推出string::size_type类型 index!=s.size() && !isspace(s[index]); //逻辑与，只有左侧为真时才检查右侧。故能保证下标合理时才访问 ++index) {s[index]=toupper(s[index]);}

标准库类型vector

• vector表示对象的集合，所有对象的类型都相同。
• 由于vector容纳着其他对象，故称为容器
• vector是一个类模板。C++中有类模板和函数模板。模板本身不是类或函数，可将模板看作为编译器生成类或函数的一份说明。编译器根据模板创建类或函数的过程称为实例化
• 由模板生成类或函数时，必须指定类型
• 在C++11之前，元素为vector的vector对象，模板变量里必须有空格
• 例子：根据模板vector声明对象

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vector<int> ivec; //元素是int型对象 vector<Sales_item> Sales_vec; //元素是Sales_item类型的对象 vector<vector<string>> file; //元素是vector<string>类型的对象 vector<vector<string> > file; //C++11之前的写法，元素是vector<string>类型的对象

定义和初始化vector对象

• vector的初始化方法有直接初始化、拷贝初始化、列表初始化
• 通常创建vector对象的方法是：先默认初始化得到一个空vector，再向其中添加元素
• 列表初始化：用花括号{}括起来的0个或多个元素赋值给vector对象。
• 值初始化：可以只提供vector的元素数量而不提供初始值。此时元素都会被值初始化。如果元素是内置类型，会被置为0，如果元素是类类型，由类默认初始化（有些类不支持默认初始化，这时vector也无法初始化）。
• 初始化的真实含义依赖于传参时用圆括号还是花括号。圆括号是构造，花括号是列表初始化。但当花括号无法初始化时，会尝试将花括号代替为圆括号。
• 例子：vector构造和列表初始化

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vector<int> v1(10); //有10个元素，都是0 vector<int> v2{10}; //有1个元素，值是10 vector<int> v3(10,1); //有10个元素，都是1 vector<int> v4{10,1}; //有2个元素，分别是10和1 vector<string> v5{"hi"}; //有1个元素，是字符串"hi" vector<string> v6("hi"); //错，不能用字符串字面值构造vector vector<string> v7{10}; //不能列表初始化，转为构造。有10个元素，都是空字符串 vector<string> v8{10,"hi"}; //不能列表初始化，转为构造。有10个元素，都是"hi"

向vector对象中添加元素

• push_back函数：把一个对象当vector的尾元素压入vector尾端
• 实际上，建立空对象再向其中push_back非常高效，比创建时确定大小之后再修改的方式更快。
• 范围for循环体内不应该改变其遍历序列的大小。

其他vector操作

• vector的size方法返回该vector的元素数量，类型是vector<type>::size_type类型。使用size_type时，需首先指定是哪种类型的size_type。
• 只有元素类型可比较时才能将vector按字典顺序比较。
• 对vector索引时，下标类型是相应的size_type类型
• 不能用下标添加元素，用下标访问不存在的元素会引发错误（编译不报错），例如缓冲区溢出等
• 确保访问元素有效的方法之一是使用范围for

迭代器介绍

• 迭代器比下标访问更通用。所有标准库容器都支持迭代器，但只有几种支持下标。
• string对象不属于容器，但操作上和容器很接近
• 迭代器提供了对元素对象的间接访问，类似于指针。其对象是容器中的元素，或string中的字符
• 有效的迭代器或者指向某个元素，或者指向尾元素的下一位置，其他都是无效。

使用迭代器

• 有迭代器的类型都配套有返回迭代器的成员。其中begin方法返回指向首元素的迭代器，end方法返回指向尾元素的下一位置（尾后）的迭代器。空容器的begin()和end()返回同一迭代器。
• 从函数中返回迭代器时，类型用auto，不用管迭代器的类型。 
• 可用解引用符*访问迭代器指向的元素，类似指针。试图解引用无效或尾后迭代器都是未定义。
• 对迭代器使用++可移动到下一个元素，它们是逻辑上先后的关系，空间上不一定相邻。
• 用++、--、==、!=来进行遍历操作，因为这些操作在所有容器的迭代器上都有效。而索引和<、>等操作符在大多数容器的迭代器中未定义。
• 迭代器的类型是相应容器类型的iterator和const_iterator，前者可读可写，后者只能读。类型书写如vector<int>::iterator。每个容器都定义了一个名为iterator的类型。
• 如果容器内对象为常量，则begin和end返回const_iterator迭代器，否则返回iterator迭代器
• cbegin方法和cend方法对任何容器都返回const_iterator迭代器
• 通过迭代器调用元素对象的成员时，使用诸如(*it).function()，括号必不可少，不然it先取成员再解引用。
• 通过迭代器调用元素对象的成员时，亦可使用简化的->操作符，它将解引用和取成员两个操作结合，it->function()等价于(*it).function()
• 任何可能改变容器容量的操作，如push_back，都会使容器的迭代器失效。

迭代器运算

• string和vector是顺序存储，故它们的迭代器支持更多的操作，如迭代器运算，这些操作可使迭代器每次移动跨越多个元素，也可对迭代器比较大小。 
• 可使迭代器和整数值相加减，返回值是向前或向后移动若干位置的迭代器。
• 可使用关系运算符>、>=、<、<=对迭代器比较大小
• 将迭代器相减，结果是两迭代器的距离，指的是右侧迭代器向前移动多少位置能和左侧迭代器重合，距离可正可负。其类型是容器类型对应的difference_type，是signed的整型数。

数组

• 数组也是存放类型相同的对象的容器，这些对象本身没有名字，通过在数组中的位置访问。
• 数组大小确定不变，不能增加元素。性能比vector等容器更好。

定义和初始化内置数组

• 数组是一种复合类型，声明形如int a[d];，其中a是数组名，d是数组大小。数组大小也是类型的一部分，在编译时应该已知，必须是常量表达式。
• 默认情况下，数组元素被默认初始化
• 定义数组时应手动写出类型，不可用auto，但可用decltype
• 可对数组做列表初始化，此时不用手动指定大小，列表长度就是数组大小。如果手动指定大小，大小只能大于或等于初值列表大小，用初值列表初始化靠前元素，其后的默认初始化。
• 字符数组比较特殊，可用字符串字面值初始化，且不需手动指定大小，此时会在最后加上空字符。
• 例子：字符数组初始化

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char a1[]={'C','+','+'}; //列表初始化，无空字符 char a1[]={'C','+','+',''}; //列表初始化，有空字符 char a3[]="C++"; //字符串字面值初始化，有空字符 const char a4[6]="Daniel"; //错，没有空间放空字符了

• 不能将数组拷贝给其他数组作为初值，也不能用数组为数组赋值。因为数组名是首元素地址，不能代表整个数组。有些编译器扩展可能支持数组的拷贝，尽量不使用。
• 解读带数组的声名符：从内向外，从右向左
• 例子：指针数组、数组指针、数组引用的声明

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int arr[10]; int *ptrs[10]; //指针的数组。是长度为10的数组，元素是指针，指向int型 int &refs[10]=/*?*/ //错，引用不是对象，不存在引用的数组 int (*Parray)[10]=&arr; //数组的指针。是指针，指向长度为10的数组，元素是int型 int (&arrRef)[10]=arr; //数组的引用。是引用，引用长度为10的数组，元素是int型 int *(&arry)[10]=ptrs; //指针数组的引用。是引用，引用长度为10的数组，元素是指针，指向int型

访问数组元素

• 数组元素可用范围for或下标访问
• 使用数组下标时，将其定义为size_t型，它是一种机器相关的unsigned类型，它足够大以表示内存中任意对象的大小，定义于cstddef头文件中。
• 数组的下标类型由C++语言定义，vector等容器的下标类型由标准库定义。

指针和数组

• 使用数组名的时候，编译器一般会将其转换为指向首元素的指针。
• 对数组元素用取地址符&能手动得到其指针
• 当数组名作为auto变量初值时，推出的类型是指针而非数组，效果相当于对首元素取地址再给初值。但用decltype时，得到的是数组类型。
• 指针也是迭代器，string和vector的迭代器支持的运算都可被数组指针支持。
• 用begin和end得到数组的首元素指针和尾后指针，这两个函数定义于iterator头文件中。由于数组不是类，故它们也不是成员方法
• 两指针相减的结果类型是ptrdiff_t，定义于cstddef头文件，是一种signed类型。
• 指针运算与下标：表达式*(ia+4)计算指针ia前进4个元素后的新地址并解引用，等价于ia[4]
• 指针可使用下标。实际上，对数组使用下标，其实是对首元素指针使用下标。此时编译器将数组名转为首元素指针，再对指针使用下标。
• 标准库内的迭代器下标必须为unsigned，但指针的下标是C++内置，可以处理负值，即指针可接受signed下标

C风格字符串

• C风格字符串不是一种类型，而是为了表达和使用字符串而形成的一种约定俗成的写法。按此习惯书写的字符串存在字符数组中且以空字符结束。一般用字符指针操作它们。
• 一些操作C风格字符串的函数被定义在cstring头文件中，传入这些函数的是字符指针，必须指向以空字符作为结束的数组。对这些函数而言，空字符是字符串结束的标志。 
• 由于C风格字符串是字符指针，故：
  • 用==比较string对象，但只能用strcmp函数比较C风格字符串
  • 用+拼接string对象，但只能用strcat函数拼接C风格字符串
  • 用=拷贝string对象，但只能用strcpy函数拼接C风格字符串
• 对于strcat和strcpy，需提供存放结果的空间，并由程序员确保此空间不会溢出。
• 用标准库的string对象比C风格字符串更安全

与旧代码的接口

• 任何可出现字符串字面值的地方都可用C风格字符串（空字符结束的字符数组）替代，例如构造string、使用string的运算符时
• 如果程序需要C风格字符串，不能直接用string对象代替。应该用string对象的c_str方法返回它对应的C风格字符串，且指针类型是const char *，保证不会改变string的内容。
• 不允许用数组初始化另一个数组，不允许用vector对象初始化数组，但允许用数组初始化vector对象。更进一步，可以用一对迭代器初始化vector对象。
• 例子：用数组的一对迭代器初始化vector对象

1 2	int int_arr={0,1,2,3,4,5}; vector<int> ivec(begin(int_arr),end(int_arr)); //用数组的一对迭代器初始化vector对象

• 尽量用vector和迭代器，不要用数组和指针
• 尽量用string，不要用C风格字符串

多维数组

• C++语言并无多维数组，多维数组是数组的数组。
• 对于二维数组而言，第一个维度为行，第二个维度为列
• 可对数组用列表初始化，花括号可嵌套也可不嵌套。因为数组连续存储
• 例子：多维数组的定义、绑定一行

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int ia[3][4]={0,1,2,3,4,5,6,7}; //ia是3元素数组，每个元素是4元素数组，ia三行四列。将前两行初始化，第三行默认初始化 int ib[3][4]={{0},{4},{8}}; //ib是3元素数组，每个元素是4元素数组，ia三行四列。将第一列初始化，其余元素默认初始化 int (&row)[4]=ia[1] //row是引用，引用一个4元素数组，其元素类型为int，被初始化为ia的第二行

• 如果要用范围for和auto处理多维数组，除了最内层循环，其他所有循环的auto类型都应该是引用。
• 例子：范围for语句处理多维数组

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// 修改元素 size_t cnt=0; for(auto &row:ia){ //遍历行，外层循环声明为引用的原因是避免数组被auto为指针 for(auto &col:row){ //遍历列，内层循环声明为引用的原因是要修改元素 col=cnt; //修改元素 ++cnt; } } // 打印元素 for(const auto &row:ia) //避免数组被auto为指针 for(auto col:row) //最内层循环是元素不是数组，不存在被auto为指针的问题 cout<<col<<endl; // 错误例子 for(auto row:ia) //ia被auto为指针类型 for(auto col:row) //错，指针不可遍历