C++ STL 教程

希望您已经理解了我们之前讨论过的 C++ 模板的概念。C++ STL(标准模板库)是一组功能强大的 C++ 模板类，它为通用类和函数提供了模板，这些模板实现了许多流行且常用的算法和数据结构，例如向量、列表、队列和堆栈。

C++ 标准模板库的核心是以下三个结构良好的组件 -

下一章讨论 C++ 标准库 (C++ STL) 时，我们将讨论所有三个 C++ STL 组件。现在，请记住，这三个组件都拥有丰富的预定义函数，可以帮助我们以非常轻松的方式完成复杂的任务。

示例

让我们以以下程序为例，该程序演示了向量容器(C++ 标准模板)，它类似于数组，但有一个例外:当数组增长时，它会自动处理自身的存储需求 -

#include <iostream>
#include <vector>
using namespace std;
 
int main() {

   // 创建一个向量来存储 int
   vector<int> vec; 
   int i;

   // 显示 vec 的原始大小
   cout << "vector size = " << vec.size() << endl;

   // 将 5 个值推送到向量中
   for(i = 0; i < 5; i++) {
      vec.push_back(i);
   }

   // 显示 vec 的扩展大小
   cout << "extended vector size = " << vec.size() << endl;

   // 从向量中访问 5 个值
   for(i = 0; i < 5; i++) {
      cout << "value of vec [" << i << "] = " << vec[i] << endl;
   }

   // 使用迭代器访问值
   vector<int>::iterator v = vec.begin();
   while( v != vec.end()) {
      cout << "value of v = " << *v << endl;
      v++;
   }

   return 0;
}

当编译并执行上述代码时，它会产生以下结果 -

vector size = 0
extended vector size = 5
value of vec [0] = 0
value of vec [1] = 1
value of vec [2] = 2
value of vec [3] = 3
value of vec [4] = 4
value of v = 0
value of v = 1
value of v = 2
value of v = 3
value of v = 4

以下是与上例中使用的各种函数相关的注意事项 -

• push_back() 成员函数在向量末尾插入值，并根据需要扩展其大小。
• size() 函数显示向量的大小。
• begin() 函数返回指向向量开头的迭代器。
• end() 函数返回指向向量末尾的迭代器。

C++ 标准模板库组件

C++ 标准模板库的核心是以下四个结构良好的组件 -

• 容器
• 算法
• 迭代器
• 函子(函数对象)

容器

容器是一种用于存储和管理数据或对象集合(例如向量、列表、集合和映射)的数据结构。这里我们将介绍几种类型的容器。

1. 序列容器

它们是按特定线性顺序存储元素的容器。它们允许直接访问元素，并具有管理元素顺序和排列的功能。

• 数组 − 这些是固定大小的元素集合。
• 向量 − 它是一个动态数组，可以根据需要调整其大小。
• 双端队列 − 双端队列，允许在两端快速插入和删除。
• 列表 − 双向链接列表，允许双向迭代。
• 前向列表 − 它是一个单链表，允许高效的插入和删除操作，但只能单向遍历。
• 字符串 − 在 C++ 中，字符串也被视为顺序容器，它被实现为一个动态字符数组，其行为与其他顺序容器类似。

2. 关联容器

它按排序顺序存储元素，从而允许基于键快速检索。这些容器采用键值对结构，其中每个元素都与一个唯一的键相关联。此键用于快速访问相应的值。

• Set − 它是按特定顺序排序的唯一元素的集合。
• Map − 它是键值对的集合，其中键是唯一的。
• Multiset − 它类似于集合，但允许重复元素。
• Multimap − 它类似于地图，但允许重复键。

3.无序关联容器

它以无序的方式存储元素，从而允许基于键进行高效的访问、插入和删除。它们不维护元素的排序顺序，而是使用散列来组织数据。

• unordered_set − 它是唯一元素的集合，没有任何特定顺序。
• unordered_map − 它是键值对的集合，没有特定顺序。
• unordered_multiset − 它允许重复元素，而没有特定顺序。
• unordered_multimap − 它允许重复键。没有特定顺序。

4. 容器适配器

它为现有容器提供了不同的接口。

• 栈 − 它是一种遵循后进先出 (LIFO) 原则的数据结构。
• 队列 − 它是一种遵循先进先出 (FIFO) 原则的数据结构。
• 优先级队列 − 它是一种特殊类型的队列，其中元素根据优先级进行移除。

算法

C++ 标准模板库 (STL) 中的算法是一个大型函数集合，专门用于对容器执行操作。这些算法使用迭代器实现，迭代器用于遍历容器，而无需了解其内部结构。

非修改序列算法

• for_each − 它应用于函数中，以找出范围内的每个元素。
• count − 它计算范围内某个值出现的次数。
• find() − 它查找某个值的第一次出现在一个范围内。
• find_if − 查找第一个满足谓词的元素。
• find_if_not − 查找第一个不满足谓词的元素。
• equal − 检查两个范围是否相等。
• search − 在序列中搜索子序列。

1.修改序列算法

• copy() − 将元素从一个范围复制到另一个范围。
• copy_if − 将满足谓词的元素复制到另一个范围。
• copy_n − 将特定数量的元素从一个范围复制到另一个范围。
• move − 它将元素从一个范围移动到另一个范围。
• transform() − 将函数应用于范围并存储结果。
• remove − 从范围中删除具有特定值的元素。
• remove_if − 删除满足谓词的元素。
• unique − 删除连续重复的元素。
• reverse() − 反转范围中元素的顺序。
• swap() − 交换元素。

2.排序算法

• sort − 对一定范围内的元素进行排序。
• stable_sort − 对元素进行排序，同时保持等效元素的相对顺序。
• partial_sort − 对一定范围内的部分元素进行排序。
• nth_element − 对范围进行划分，使第 n 个元素位于其最终位置。

3.搜索算法

• binary_search − 检查元素是否存在于已排序的范围内。
• lower_bound − 搜索可以插入元素以保持顺序的第一个位置。
• upper_bound − 搜索大于指定值的第一个元素的位置。
• binary_search − 检查元素是否存在于已排序的范围内。
• lower_bound − 查找可以插入元素以保持顺序的第一个位置。
• upper_bound − 搜索大于指定值的第一个元素的位置。
• equal_range − 返回相等元素的范围。

4. 堆算法

• ma​​ke_heap − 根据一定范围创建堆。
• push_heap − 向堆中添加元素。
• pop_heap − 从堆中删除最大元素。
• sort_heap − 对堆中的元素进行排序。

5.集合算法

• set_union − 计算两个集合的并集。
• set_intersection − 计算两个集合的交集。
• set_difference − 计算两个集合的差集。
• set_symmetric_difference − 计算两个集合的对称差集。

6.数值算法

• accumulate − 计算一个范围的和(或其他运算)。
• inner_product − 计算两个范围的内积。
• adjacent_difference − 计算相邻元素之间的差值。
• Partial_sum − 计算一个范围的部分和。

7.其他算法

• generate − 使用函数生成的值填充指定范围。
• shuffle − 随机打乱指定范围内的元素。
• partition − 根据谓词将元素分成两组。

迭代器

C++ 标准模板库 (STL) 中的迭代器是指向容器内元素的指针，容器提供统一的数据访问和操作接口。它们充当算法和容器之间的桥梁。

• 输入迭代器 − 它们允许对元素进行只读访问。
• 输出迭代器 − 它们允许对元素进行只写访问。
• 前向迭代器 − 它们允许读写，并且可以递增。
• 双向迭代器 − 它们可以递增和递减。
• 随机访问迭代器 − 它们支持算术运算，并且可以访问元素。

函数对象(函子)

C++ 中的函子(或称函数对象)是一种可以像函数一样调用的对象。它可以像常规函数一样被调用。此功能通过重载函数调用运算符 ()实现。

本文将根据函子执行的操作，探索不同类型的函子。

1. 算术函子

在 C++ 中，算术运算符用于执行基本的数学运算。以下是常见的算术运算符及其示例。

• 加法 (+) − 它将两个值相加得出它们的和。
• 减法 (-) − 计算两个值之间的差。
• 乘法 (*) − 它将两个值相乘得出它们的乘积。
• 除法 (/) − 它将一个值除以另一个值，得出商。
• 模数 (%) − 返回一个值除以另一个值后的余数。
• 取反 () − 返回参数的取反值。

2.比较函子

比较函子用于比较值，尤其是在容器中排序或搜索时。

• 小于 (<) − 如果第一个值小于第二个值，则比较并返回 true。
• 大于 (>) − 如果第一个值大于第二个值，则比较并返回 true。
• 小于或等于 (≤) − 如果第一个值小于或等于第二个值，则比较并返回 true。
• 大于或等于 (≥) − 如果第一个值大于或等于第二个值，则比较并返回 true。
• 等于 (=) − 如果相等，则比较并返回 true。
• 不等于(≠) − 比较两个布尔值，如果不相等则返回 true。

3. 逻辑函子

逻辑函子执行逻辑运算，在涉及布尔逻辑的场景中非常有用。

• 逻辑与函子 (&&) − 如果两个布尔参数中至少有一个或两个为 false，则返回 false;否则返回 true。
• 逻辑或函子 (||) − 如果两个布尔参数中至少有一个或两个为 true，则返回 true。
• 逻辑非函子 (!) − 如果布尔参数为 false，则返回 true;反之，返回与提供的布尔值相反的值。

4.按位函数

• bit_and − 对两个操作数执行按位"与"运算，
• bit_or − 对两个操作数执行按位"或"运算，
• Bit_xor − 对两个操作数执行按位"异或"运算，并返回相应的输出。

实用程序

实用程序是指一组通用组件，它们提供编程的基本功能，并允许对数据和类型进行高效的操作。

1. 对和元组

• 对 − 它是一个容器，可以容纳两个可能不同类型的值，分别作为第一和第二个成员。
• 元组 − 一个固定大小的集合，可以存储多个不同类型的值，并通过 std::get 访问每个元素。

2.智能指针

• unique_ptr − 它是一个拥有动态分配对象的智能指针，当指针超出范围时会自动释放该对象。
• Shared_ptr − 它是一个智能指针，允许多个指针通过使用引用计数来管理生命周期，从而共享动态分配对象的所有权。
• Weak_ptr − 它是一个智能指针，它提供对由 std::shared_ptr 管理的对象的非拥有引用，从而防止循环引用。

3.可选、变体和任意类型 (C++17)

• Optional − 它是一个包装器，表示可选值，指示值是否存在。
• variant − 它是一个类型安全的联合体，可以保存多个指定类型之一，从而提供一种处理多种类型而不会产生歧义的方法。
• any − 它是一个类型安全的容器，用于存储任意类型的值，允许动态类型擦除和运行时类型检查。

4.内存管理和数值限制

• allocator − 用于管理动态内存。
• numeric_limits − 提供有关基本数据类型属性的信息。

5.类型特征

这是一组模板，允许您执行编译时类型检查。

• is_same − 它是一个类型特征，用于检查两个类型是否相同，如果相同则返回 true，否则返回 false。
• is_integral − 它是一个类型特征，用于确定给定类型是否为整数类型(例如，int、char、long)，对于整数类型返回 true，对于其他类型返回 false。
• is_floating_point − 它是一个类型特征，用于检查给定类型是否为浮点类型(例如，float、double、long double)，对于浮点类型返回 true，对于非浮点类型返回 false。
• enable_if − 它是一个实用程序，用于根据编译时条件，通常用于 SFINAE(替换失败不是错误)。

STL 基本功能:简单示例

这是一个演示 STL 基本功能的简单示例

#include <iostream>
#include <vector>
#include <algorithm>

int main() {
   std::vector<int> vec = {5, 2, 8, 1, 3};

   // 对向量进行排序
   std::sort(vec.begin(), vec.end());

   // 显示已排序的元素
   std::cout << "Sorted vector: ";
   for (int num : vec) {
      std::cout << num << " ";
   }
   std::cout << std::endl;

   // 查找元素
   auto it = std::find(vec.begin(), vec.end(), 3);
   if (it != vec.end()) {
      std::cout << "Element 3 found at position: " 
         << std::distance(vec.begin(), it) << std::endl;
   } else {
      std::cout << "Element 3 not found" << std::endl;
   }

   return 0;
}

输出

Sorted vector: 1 2 3 5 8 
Element 3 found at position: 2

说明

此代码提供了 STL 在各个地方的使用

• std::vector<int> vec − 上述程序使用了 std::vector，这是一个允许动态数组管理的 STL 容器。
• std::sort(vec.begin(), vec.end()) − 此函数是操作容器的 STL 算法的一部分，它按升序对向量的元素进行排序。
• std::find(vec.begin(), vec.end(), 3) − 此函数在向量中搜索值 3，如果找到则返回一个迭代器。
• begin() 和 vec.end() − 这些函数分别返回指向向量开头和结尾的迭代器。
• std::distance(vec.begin(), it) − 此函数计算两个迭代器之间的元素数量(在本例中，从向量的开头开始)向量到找到的迭代器)，实际上给出了找到元素的索引。

使用 STL 的好处

在 C++ 中使用标准模板库 (STL) 有很多好处，因为它提供了大量预定义的数据结构和算法，从而节省时间和精力，并减少了从头实现这些结构和算法的需求。它还促进了代码重用、模块化、类型安全和灵活性。这使得相同的代码可以处理不同的数据类型。总的来说，它提高了编程效率和代码质量。