C++STL库
学习方法：使用STL的三个境界：能用，明理，能扩展。
常用库
| 库名称 | 所需头文件 | 数据结构 |
|---|---|---|
| string | #include<string> | 串 |
| vector | #include<vector> | 动态数组 |
| list | #include<list> | 带头双向循环链表 |
| queue | #include<queue> | 队列 |
| stack | #include<stack> | 栈 |
| deque | #include<deque> | 双端队列 |
| priority_queue | #include<queue> | 优先队列 |
string类
string类的介绍
注意：C++的string严格来说是一个类，是一个对象，不是一个类型。
- 字符串是表示字符序列的类
- 标准的字符串类提供了对此类对象的支持，其接口类似于标准字符容器的接口，但添加了专门用于操作单字节字符字符串的设计特性。
- string类是使用char(即作为它的字符类型，使用它的默认char_traits和分配器类型(关于模板的更多信息，请参阅basic_string)。
- string类是basic_string模板类的一个实例，它使用char来实例化basic_string模板类，并用char_traits和allocator作为basic_string的默认参数(根于更多的模板信息请参考basic_string)。
- 注意，这个类独立于所使用的编码来处理字节:如果用来处理多字节或变长字符(如UTF-8)的序列，这个类的所有成员(如长度或大小)以及它的迭代器，将仍然按照字节(而不是实际编码的字符)来操作。
总结：
- string是表示字符串的字符串类
- 该类的接口与常规容器的接口基本相同，再添加了一些专门用来操作string的常规操作。
- string在底层实际是：basic_string模板类的别名，typedef basic_string<char, char_traits, allocator>string;
- 不能操作多字节或者变长字符的序列。
在使用string类时，必须包含#include头文件以及using namespace std;
string类对象的常见构造
| 函数名称 | 功能说明 |
|---|---|
| string() （重点） | 构造空的string类对象，即空字符串 |
| string(const char* s) （重点） | 用C-string来构造string类对象 |
| string(size_t n, char c) | string类对象中包含n个字符c |
| string(const string&s) （重点） | 拷贝构造函数 |
举例：
#include <iostream>
#include <string>using namespace std;int main()
{string s1; // 构造空的string类对象s1string s2("i 1ove"); // 用C格式字符串构造string类对象s2string s3(9, 'u');string s4(s2);return 0;
}
容量方法
以下均为类公共成员函数
| 方法名称 | 用途 |
|---|---|
| size(重点) | 返回字符串有效字符长度 |
| length | 返回字符串有效字符长度 |
| max_size | 返回字符串支持的最大字符数 |
| resize（重点） | 将有效字符的个数该成n个，多出的空间用字符c填充 |
| capacity（重点） | 返回空间总大小 |
| reserve | 请求更改容量，为字符串预留空间 |
| clear（重点） | 清除字符串 |
| empty（重点） | 测试字符串是否为空 |
| shrink_to_fit | 请求字符串减小其容量以适应其大小 |
重点实例：
// size/clear/resize
void Teststring1()
{// 注意：string类对象支持直接用cin和cout进行输入和输出string s("hello, World!!!");cout << s.size() << endl;cout << s.length() << endl;cout << s.capacity() << endl;cout << s << endl;// 将s中的字符串清空，注意清空时只是将size清0，不改变底层空间的大小s.clear();cout << s.size() << endl;cout << s.capacity() << endl;// 将s中有效字符个数增加到10个，多出位置用'a'进行填充// “aaaaaaaaaa”s.resize(10, 'a');cout << s.size() << endl;cout << s.capacity() << endl;// 将s中有效字符个数增加到15个，多出位置用缺省值'\0'进行填充// "aaaaaaaaaa\0\0\0\0\0"// 注意此时s中有效字符个数已经增加到15个s.resize(15);cout << s.size() << endl;cout << s.capacity() << endl;cout << s << endl;// 将s中有效字符个数缩小到5个s.resize(5);cout << s.size() << endl;cout << s.capacity() << endl;cout << s << endl;
}//====================================================================================
void Teststring2()
{string s;// 测试reserve是否会改变string中有效元素个数s.reserve(100);cout << s.size() << endl;cout << s.capacity() << endl;// 测试reserve参数小于string的底层空间大小时，是否会将空间缩小s.reserve(50);cout << s.size() << endl;cout << s.capacity() << endl;
}
// 利用reserve提高插入数据的效率，避免增容带来的开销
//====================================================================================
void TestPushBack()
{string s;size_t sz = s.capacity();cout << "making s grow:\n";for (int i = 0; i < 100; ++i){s.push_back('c');if (sz != s.capacity()){sz = s.capacity();cout << "capacity changed: " << sz << '\n';}}
}
void TestPushBackReserve()
{string s;s.reserve(100);size_t sz = s.capacity();cout << "making s grow:\n";for (int i = 0; i < 100; ++i){s.push_back('c');if (sz != s.capacity()){sz = s.capacity();cout << "capacity changed: " << sz << '\n';}}
}
注意：
- size()与length()方法底层实现原理完全相同，引入size()的原因是为了与其他容器的接口保持一致，一般情况下基本都是用size()。
- clear()只是将string中有效字符清空，不改变底层空间大小。
- resize(size_t n) 与 resize(size_t n, char c)都是将字符串中有效字符个数改变到n个，不同的是当字符个数增多时：resize(n)用0来填充多出的元素空间，resize(size_t n, char c)用字符c来填充多出的元素空间。注意：resize在改变元素个数时，如果是将元素个数增多，可能会改变底层容量的大小，如果是将元素个数减少，底层空间总大小不变。
- reserve(size_t res_arg=0)：为string预留空间，不改变有效元素个数，当reserve的参数小于string的底层空间总大小时，reserver不会改变容量大小。
访问及遍历操作
| 函数名称 | 功能说明 |
|---|---|
| operator[] （重点） | 返回pos位置的字符，const string类对象调用 |
| begin+ end | begin获取一个字符的迭代器 + end获取最后一个字符下一个位置的迭 代器 |
| rbegin + rend | begin获取一个字符的迭代器 + end获取最后一个字符下一个位置的迭 代器 |
| 范围for | C++11支持更简洁的范围for的新遍历方式 |
实例代码：
void Teststring()
{string s1("hello World");const string s2("Hello World");cout << s1 << " " << s2 << endl;cout << s1[0] << " " << s2[0] << endl;s1[0] = 'H';cout << s1 << endl;// s2[0] = 'h'; 代码编译失败，因为const类型对象不能修改
}void Teststring()
{string s("hello World");// 3种遍历方式：// 需要注意的以下三种方式除了遍历string对象，还可以遍历是修改string中的字符，// 另外以下三种方式对于string而言，第一种使用最多// 1. for+operator[]for (size_t i = 0; i < s.size(); ++i){cout << s[i] << endl;}// 2.迭代器string::iterator it = s.begin();while (it != s.end()){cout << *it << endl;++it;}string::reverse_iterator rit = s.rbegin();while (rit != s.rend()){cout << *rit << endl;}// 3.范围forfor (auto ch : s){cout << ch << endl;}
}
类对象的修改操作
| 函数名称 | 功能说明 |
|---|---|
| push_back | 在字符串后尾插字符c |
| append | 在字符串后追加一个字符串 |
| operator+= (重点) | 在字符串后追加字符串str |
| c_str(重点) | 返回C格式字符串 |
| find + npos(重点) | 从字符串pos位置开始往后找字符c，返回该字符在字符串中的位置 |
| rfind | 从字符串pos位置开始往前找字符c，返回该字符在字符串中的位置 |
| substr | 在str中从pos位置开始，截取n个字符，然后将其返回 |
void Teststring()
{string str;str.push_back(' '); // 在str后插入空格str.append("I"); // 在str后追加一个字符"I"str += 'lov'; // 在str后追加一个字符'1ov'str += "it"; // 在str后追加一个字符串"it"cout << str << endl;cout << str.c_str() << endl; // 以C语言的方式打印字符串// 获取file的后缀string file("string.cpp");size_t pos = file.rfind('.');string suffix(file.substr(pos, file.size() - pos));cout << suffix << endl;// npos是string里面的一个静态成员变量// static const size_t npos = -1;// 取出url中的域名string url("http://www.cplusplus.com/reference/string/string/find/");cout << url << endl;size_t start = url.find("://");if (start == string::npos){cout << "invalid url" << endl;return;}start += 3;size_t finish = url.find('/', start);string address = url.substr(start, finish - start);cout << address << endl;// 删除url的协议前缀pos = url.find("://");url.erase(0, pos + 3);cout << url << endl;
}
注意：
- 在string尾部追加字符时，s.push_back© / s.append(1, c) / s += 'c’三种的实现方式差不多，一般情况下string类的+=操作用的比较多，+=操作不仅可以连接单个字符，还可以连接字符串。
- 对string操作时，如果能够大概预估到放多少字符，可以先通过reserve把空间预留好
类非成员函数
| 函数 | 功能说明 |
|---|---|
| operator+ | 尽量少用，因为传值返回，导致深拷贝效率低 |
| operator>> （重点） | 输入运算符重载 |
| operator<< （重点） | 输出运算符重载 |
| getline （重点） | 获取一行字符串 |
| relational operators （重点） | 大小比较 |
string类的模拟实现
经典的string类问题
上面已经对string类进行了简单的介绍，只要能够正常使用即可。在面试中，面试官总喜欢让学生自己来模拟实现string类，最主要是实现string类的构造、拷贝构造、赋值运算符重载以及析构函数。观察以下代码，判断该string类的实现是否有问题？
class string
{
public:/*string():_str(new char[1]){*_str = '\0';}*///string(const char* str = "\0") 错误示范//string(const char* str = nullptr) 错误示范string(const char* str = ""){// 构造string类对象时，如果传递nullptr指针，认为程序非法，此处断言下if (nullptr == str){assert(false);return;}_str = new char[strlen(str) + 1];strcpy(_str, str);}~string(){if (_str){delete[] _str;_str = nullptr;}}
private:char* _str;
};
// 测试
void Teststring()
{string s1("hello bit!!!"); // string不明确string s2(s1); // string不明确
}
上述string类没有显式定义其拷贝构造函数与赋值运算符重载，此时编译器会合成默认的，当用s1构造s2时，编译器会调用默认的拷贝构造。最终导致的问题是，s1、s2共用同一块内存空间，在释放时同一块空间被释放多次而引起程序崩溃，这种拷贝方式，称为浅拷贝。
浅拷贝
浅拷贝:也称位拷贝，编译器只是将对象中的值拷贝过来。如果对象中管理资源，最后就会导致多个对象共享同一份资源，当一个对象销毁时就会将该资源释放掉，而此时另一些对象不知道该资源已经被释放，以为还有效，所以 当继续对资源进项操作时，就会发生发生了访问违规。要解决浅拷贝问题，C++中引入了深拷贝。
深拷贝
**深拷贝：**如果一个类中涉及到资源的管理，其拷贝构造函数、赋值运算符重载以及析构函数必须要显式给出。一般情况都是按照深拷贝方式提供。
写时拷贝(了解)
写时拷贝就是一种拖延症，是在浅拷贝的基础之上增加了引用计数的方式来实现的。
引用计数：用来记录资源使用者的个数。在构造时，将资源的计数给成1，每增加一个对象使用该资源，就给计数增加1，当某个对象被销毁时，先给该计数减1，然后再检查是否需要释放资源，如果计数为1，说明该对象时资源的最后一个使用者，将该资源释放；否则就不能释放，因为还有其他对象在使用该资源。
现代写法的string
class string
{
public:string(const char* str = ""){if (nullptr == str)str = "";_str = new char[strlen(str) + 1];strcpy(_str, str);}string(const string& s): _str(nullptr){string strTmp(s._str);swap(_str, strTmp._str);}// 对比下和上面的赋值那个实现比较好？string& operator=(string s){swap(_str, s._str);return *this;}/*string& operator=(const string& s){if(this != &s){string strTmp(s);swap(_str, strTmp._str);}return *this;}*/~string(){if (_str){delete[] _str;_str = nullptr;}}
private:char* _str;
};
vector类
vector类的介绍
- vector是表示可变大小数组的序列容器。
- 就像数组一样，vector也采用的连续存储空间来存储元素。也就是意味着可以采用下标对vector的元素进行访问，和数组一样高效。但是又不像数组，它的大小是可以动态改变的，而且它的大小会被容器自动处理。
- 本质讲，vector使用动态分配数组来存储它的元素。当新元素插入时候，这个数组需要被重新分配大小为了增加存储空间。其做法是，分配一个新的数组，然后将全部元素移到这个数组。就时间而言，这是一个相对代价高的任务，因为每当一个新的元素加入到容器的时候，vector并不会每次都重新分配大小。
- vector分配空间策略：vector会分配一些额外的空间以适应可能的增长，因为存储空间比实际需要的存储空间更大。不同的库采用不同的策略权衡空间的使用和重新分配。但是无论如何，重新分配都应该是对数增长的间隔大小，以至于在末尾插入一个元素的时候是在常数时间的复杂度完成的。
- 因此，vector占用了更多的存储空间，为了获得管理存储空间的能力，并且以一种有效的方式动态增长。
- 与其它动态序列容器相比（deques, lists and forward_lists）， vector在访问元素的时候更加高效，在末尾添加和删除元素相对高效。对于其它不在末尾的删除和插入操作，效率更低。比起lists和forward_lists统一的迭代器和引用更好。
vector类对象的常见构造
| 构造函数声明 | 接口说明 |
|---|---|
| vector()（重点） | 无参构造 |
| vector（size_type n, const value_type& val = value_type()） | 构造并初始化n个val |
| vector (const vector& x); （重点） | 拷贝构造 |
| vector (InputIterator first, InputIterator last); | 使用迭代器进行初始化构造 |
实例代码：
#include <iostream>
#include <vector>
int main()
{// 按上述相同顺序使用的构造函数：std::vector<int> first; // 空的vectorstd::vector<int> second(4, 100); // 四个值为100的整数std::vector<int> third(second.begin(), second.end()); // 迭代到第二个std::vector<int> fourth(third); // 拷贝构造// 下面涉及迭代器初始化的部分，等学习完迭代器再来看这部分// 迭代器构造函数也可用于从数组构造:int myints[] = { 16,2,77,29 };std::vector<int> fifth(myints, myints + sizeof(myints) / sizeof(int));std::cout << "遍历vector";for (std::vector<int>::iterator it = fifth.begin(); it != fifth.end(); ++it){std::cout << ' ' << *it;}std::cout << '\n';return 0;
}
iterator 的使用
| iterator的使用 | 接口说明 |
|---|---|
| begin + end（重点） | 获取第一个数据位置的iterator/const_iterator， 获取最后一个数据的下一个位置 的iterator/const_iterator |
| rbegin + rend | 获取最后一个数据位置的reverse_iterator，获取第一个数据前一个位置的 reverse_iterator |
#include <iostream>
#include <vector>
using namespace std;
void PrintVector(const vector<int>& v)
{// const对象使用const迭代器进行遍历打印vector<int>::const_iterator it = v.begin();while (it != v.end()){cout << *it << " ";++it;}cout << endl;
}
int main()
{// 使用push_back插入4个数据vector<int> v;v.push_back(1);v.push_back(2);v.push_back(3);v.push_back(4);// 使用迭代器进行遍历打印vector<int>::iterator it = v.begin();while (it != v.end()){cout << *it << " ";++it;}cout << endl;// 使用迭代器进行修改it = v.begin();while (it != v.end()){*it *= 2;++it;}// 使用反向迭代器进行遍历再打印vector<int>::reverse_iterator rit = v.rbegin();while (rit != v.rend()){cout << *rit << " ";++rit;}cout << endl;PrintVector(v);return 0;
}
vector 容量方法
| 容量空间 | 接口说明 |
|---|---|
| size | 获取数据个数 |
| capacity | 获取容量大小 |
| empty | 判断是否为空 |
| resize（重点） | 改变vector的size |
| reserve （重点） | 改变vector放入capacity |
注意：
-
capacity的代码在vs和g++下分别运行会发现，VS下capacity是按1.5倍增长的，G++是按2倍增长的。这个问题经常会考察，不要固化的认为，顺序表增容都是2倍，具体增长多少是根据具体的需求定义的。vs是PJ版本STL，g++是SGI版本STL。
#include <iostream> #include <vector> int main() {size_t sz;std::vector<int> foo;sz = foo.capacity();std::cout << "making foo grow:\n";for (int i = 0; i < 100; ++i) {foo.push_back(i);if (sz != foo.capacity()) {sz = foo.capacity();std::cout << "capacity changed: " << sz << '\n';}} } /* vs：运行结果： making foo grow : capacity changed : 1 capacity changed : 2 capacity changed : 3 capacity changed : 4 capacity changed : 6 capacity changed : 9 capacity changed : 13 capacity changed : 19 capacity changed : 28 capacity changed : 42 capacity changed : 63 capacity changed : 94 capacity changed : 141g++运行结果： making foo grow : capacity changed : 1 capacity changed : 2 capacity changed : 4 capacity changed : 8 capacity changed : 16 capacity changed : 32 capacity changed : 64 capacity changed : 128 */ -
reserve只负责开辟空间，如果确定知道需要用多少空间，reserve可以缓解vector增容的代价缺陷问题。
#include <iostream> #include <vector>int main() {size_t sz;std::vector<int> foo;sz = foo.capacity();std::cout << "使得 foo 增长:\n";for (int i = 0; i < 100; ++i) {foo.push_back(i);if (sz != foo.capacity()){sz = foo.capacity();std::cout << "capacity changed: " << sz << '\n';}}std::vector<int> bar;sz = bar.capacity();bar.reserve(100); //这是与上述foo的区别std::cout << "使得 bar 增长:\n";for (int i = 0; i < 100; ++i) {bar.push_back(i);if (sz != bar.capacity()) {sz = bar.capacity();std::cout << "capacity changed: " << sz << '\n';}}return 0; } -
resize在开空间的同时还会进行初始化，影响size。
#include <iostream> #include <vector>int main() {std::vector<int> myvector;// 初始化vector:for (int i = 1; i < 10; i++){myvector.push_back(i);}myvector.resize(5);myvector.resize(8, 100);myvector.resize(12);std::cout << "myvector contains:";for (int i = 0; i < myvector.size(); i++)std::cout << ' ' << myvector[i];std::cout << '\n';return 0; }vector修改操作
vector增删查改 接口说明 push_back（重点） 尾插 pop_back （重点） 尾删 find 查找。（注意这个是算法模块实现，不是vector的成员接口） insert 在position之前插入val erase 删除position位置的数据 swap 交换两个vector的数据空间 operator[] （重点） 像数组一样访问 实例代码：
// push_back/pop_back
#include <iostream>
#include <vector>
#include <algorithm>using namespace std;int main()
{int a[] = { 1, 2, 3, 4 };vector<int> v(a, a + sizeof(a) / sizeof(int));vector<int>::iterator it = v.begin();while (it != v.end()){cout << *it << " ";++it;}cout << endl;v.pop_back();v.pop_back();it = v.begin();while (it != v.end()){cout << *it << " ";++it;}cout << endl;return 0;
}// find / insert / erase
int main()
{int a[] = { 1, 2, 3, 4 };vector<int> v(a, a + sizeof(a) / sizeof(int));// 使用find查找3所在位置的iteratorvector<int>::iterator pos = find(v.begin(), v.end(), 3);// 在pos位置之前插入30v.insert(pos, 30);vector<int>::iterator it = v.begin();while (it != v.end()){cout << *it << " ";++it;}cout << endl;pos = find(v.begin(), v.end(), 3);// 删除pos位置的数据v.erase(pos);it = v.begin();while (it != v.end()){cout << *it << " ";++it;}cout << endl;return 0;
}// operator[]+index 和 C++11中vector的新式for+auto的遍历
// vector使用这两种遍历方式是比较便捷的。
int main()
{int a[] = { 1, 2, 3, 4 };vector<int> v(a, a + sizeof(a) / sizeof(int));// 通过[]读写第0个位置。v[0] = 10;cout << v[0] << endl;// 通过[i]的方式遍历vectorfor (size_t i = 0; i < v.size(); ++i){cout << v[i] << " ";}cout << endl;vector<int> swapv;swapv.swap(v);cout << "v data:";for (size_t i = 0; i < v.size(); ++i){cout << v[i] << " ";}cout << endl;cout << "swapv data:";for (size_t i = 0; i < swapv.size(); ++i){cout << swapv[i] << " ";}cout << endl;// C++11支持的新式范围for遍历for (auto x: v){cout << x << " ";}cout << endl;return 0;
}vector 迭代器失效问题。（重点）
迭代器的主要作用就是让算法能够不用关心底层数据结构，其底层实际就是一个指针，或者是对指针进行了封装，比如：vector的迭代器就是原生态指针T。因此迭代器失效，实际就是迭代器底层对应指针所指向的空间被销毁了，而使用一块已经被释放的空间*，造成的后果是程序崩溃(即如果继续使用已经失效的迭代器，程序可能会崩溃)。
对于vector可能会导致其迭代器失效的操作有：
-
会引起其底层空间改变的操作，都有可能是迭代器失效，比如：resize、reserve、insert、assign、push_back等。
#include <iostream> using namespace std; #include <vector> int main() {vector<int> v{ 1,2,3,4,5,6 };auto it = v.begin();// 将有效元素个数增加到100个，多出的位置使用8填充，操作期间底层会扩容// v.resize(100, 8);// reserve的作用就是改变扩容大小但不改变有效元素个数，操作期间可能会引起底层容量改变// v.reserve(100);// 插入元素期间，可能会引起扩容，而导致原空间被释放// v.insert(v.begin(), 0);// v.push_back(8);// 给vector重新赋值，可能会引起底层容量改变v.assign(100, 8);/*出错原因：以上操作，都有可能会导致vector扩容，也就是说vector底层原理旧空间被释放掉，而在打印时，it还使用的是释放之间的旧空间，在对it迭代器操作时，实际操作的是一块已经被释放的空间，而引起代码运行时崩溃。解决方式：在以上操作完成之后，如果想要继续通过迭代器操作vector中的元素，只需给it重新赋值即可。*/while (it != v.end()){cout << *it << " ";++it;}cout << endl;return 0; } -
指定位置元素的删除操作--erase
#include <iostream> using namespace std; #include <vector> int main() {int a[] = { 1, 2, 3, 4 };vector<int> v(a, a + sizeof(a) / sizeof(int));// 使用find查找3所在位置的iteratorvector<int>::iterator pos = find(v.begin(), v.end(), 3);// 删除pos位置的数据，导致pos迭代器失效。v.erase(pos);cout << *pos << endl; // 此处会导致非法访问return 0; }erase删除pos位置元素后，pos位置之后的元素会往前搬移，没有导致底层空间的改变，理论上讲迭代器不应该会失效，但是：如果pos刚好是最后一个元素，删完之后pos刚好是end的位置，而end位置是没有元素的，那么pos就失效了。因此删除vector中任意位置上元素时，vs就认为该位置迭代器失效了。
以下代码的功能是删除vector中所有的偶数，请问那个代码是正确的，为什么？#include <iostream> #include <vector> using namespace std;// Test1.cpp int main() {vector<int> v{ 1, 2, 3, 4 };auto it = v.begin();while (it != v.end()){if (*it % 2 == 0)v.erase(it);++it;}return 0; }// Test2.cpp int main() {vector<int> v{ 1, 2, 3, 4 };auto it = v.begin();while (it != v.end()){if (*it % 2 == 0)it = v.erase(it);else++it;}return 0; }迭代器失效解决办法：在使用前，对迭代器重新赋值即可
使用memcpy拷贝问题
假设模拟实现的vector中的reserve接口中，使用memcpy进行的拷贝，以下代码会发生什么问题？
int main()
{vector<string> v; v.push_back("1111");v.push_back("2222");v.push_back("3333");return 0;
}
问题分析：
- memcpy是内存的二进制格式拷贝，将一段内存空间中内容原封不动的拷贝到另外一段内存空间中
- 如果拷贝的是自定义类型的元素，memcpy即高效又不会出错，但如果拷贝的是自定义类型元素，并且自定义类型元素中涉及到资源管理时，就会出错，因为memcpy的拷贝实际是浅拷贝。
结论：如果对象中涉及到资源管理时，千万不能使用memcpy进行对象之间的拷贝，因为memcpy是浅拷贝，否则可能会引起内存泄漏甚至程序崩溃。
list类
list的介绍
-
list是可以在常数范围内在任意位置进行插入和删除的序列式容器，并且该容器可以前后双向迭代。
-
list的底层是双向链表结构，双向链表中每个元素存储在互不相关的独立节点中，在节点中通过指针指向其前一个元素和后一个元素。
-
list与forward_list非常相似：最主要的不同在于forward_list是单链表，只能朝前迭代，已让其更简单高效。
-
与其他的序列式容器相比(array，vector，deque)，list通常在任意位置进行插入、移除元素的执行效率更好。
-
与其他序列式容器相比，list和forward_list最大的缺陷是不支持任意位置的随机访问，比如：要访问list的第6个元素，必须从已知的位置(比如头部或者尾部)迭代到该位置，在这段位置上迭代需要线性的时间开销；list还需要一些额外的空间，以保存每个节点的相关联信息(对于存储类型较小元素的大list来说这可能是一个重要的因素)
list的使用
list中的接口比较多，此处类似，只需要掌握如何正确的使用，然后再去深入研究背后的原理，已达到可扩展的能力。以下为list中一些常见的重要接口。
list的构造
| 构造函数（ (constructor)） | 接口说明 |
|---|---|
| list() | 构造空的list |
| list (size_type n, const value_type& val = value_type()) | 构造的list中包含n个值为val的元素 |
| list (const list& x) | 拷贝构造函数 |
| list (InputIterator first, InputIterator last) | 用[first, last)区间中的元素构造list |
#include <iostream>
#include <list>int main()
{std::list<int> l1; // 构造空的l1std::list<int> l2(4, 100); // l2中放4个值为100的元素std::list<int> l3(l2.begin(), l2.end()); // 用l2的[begin(), end()）左闭右开的区间构造l3std::list<int> l4(l3); // 用l3拷贝构造l4// 以数组为迭代器区间构造l5int array[] = { 16,2,77,29 };std::list<int> l5(array, array + sizeof(array) / sizeof(int));// 用迭代器方式打印l5中的元素for (std::list<int>::iterator it = l5.begin(); it != l5.end(); it++){std::cout << *it << " ";}std::cout << endl;// C++11范围for的方式遍历for (auto& e : l5){std::cout << e << " ";}std::cout << endl;return 0;
}
list iterator的使用
此处，可暂时将迭代器理解成一个指针，该指针指向list中的某个节点 .
| 函数声明 | 接口说明 |
|---|---|
| begin + end | 返回第一个元素的迭代器+返回最后一个元素下一个位置的迭代器 |
| rbegin + rend | 返回第一个元素的reverse_iterator,即end位置，返回最后一个元素下一个位置的 reverse_iterator,即begin位置 |
【注意】
- begin与end为正向迭代器，对迭代器执行**++**操作，迭代器向后移动。
- **rbegin(end)与rend(begin)为反向迭代器，对迭代器执行++**操作，迭代器向前移动。
#include <iostream>
using namespace std;
#include <list>
void print_list(const list<int>& l)
{// 注意这里调用的是list的 begin() const，返回list的const_iterator对象for (list<int>::const_iterator it = l.begin(); it != l.end(); ++it){cout << *it << " ";// *it = 10; 编译不通过}cout << endl;
}int main()
{int array[] = { 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 0 };list<int> l(array, array + sizeof(array) / sizeof(array[0]));// 使用正向迭代器正向list中的元素for (list<int>::iterator it = l.begin(); it != l.end(); ++it){cout << *it << " ";}cout << endl;// 使用反向迭代器逆向打印list中的元素for (list<int>::reverse_iterator it = l.rbegin(); it != l.rend(); ++it){cout << *it << " ";}cout << endl;return 0;
}
list容量方法
| 函数声明 | 接口说明 |
|---|---|
| empty | 检测list是否为空，是返回true，否则返回false |
| size | 返回list中有效节点的个数 |
list元素安全访问
| 函数声明 | 接口说明 |
|---|---|
| front | 返回list的第一个节点中值的引用 |
| back | 返回list的最后一个节点中值的引用 |
list修改器
| 函数声明 | 接口说明 |
|---|---|
| push_front | 在list首元素前插入值为val的元素 |
| pop_front | 删除list中第一个元素 |
| push_back | 在list尾部插入值为val的元素 |
| pop_back | 删除list中最后一个元素 |
| insert | 在list position 位置中插入值为val的元素 |
| erase | 删除list position位置的元素 |
| swap | 交换两个list中的元素 |
| clear | 清空list中的有效元素 |
#include <list>
void PrintList(list<int>& l)
{for (auto& e : l){cout << e << " ";}cout << endl;
}
//=========================================================================================
// push_back/pop_back/push_front/pop_front
void TestList1()
{int array[] = { 1, 2, 3 };list<int> L(array, array + sizeof(array) / sizeof(array[0]));// 在list的尾部插入4，头部插入0L.push_back(4);L.push_front(0);PrintList(L);// 删除list尾部节点和头部节点L.pop_back();L.pop_front();PrintList(L);
}
//=========================================================================================// insert /erase
void TestList3()
{int array1[] = { 1, 2, 3 };list<int> L(array1, array1 + sizeof(array1) / sizeof(array1[0]));// 获取链表中第二个节点auto pos = ++L.begin();cout << *pos << endl;// 在pos前插入值为4的元素L.insert(pos, 4);PrintList(L);// 在pos前插入5个值为5的元素L.insert(pos, 5, 5);PrintList(L);// 在pos前插入[v.begin(), v.end)区间中的元素vector<int> v{ 7, 8, 9 };L.insert(pos, v.begin(), v.end());PrintList(L);// 删除pos位置上的元素L.erase(pos);PrintList(L);// 删除list中[begin, end)区间中的元素，即删除list中的所有元素L.erase(L.begin(), L.end());PrintList(L);
}// resize/swap/clear
void TestList4()
{// 用数组来构造listint array1[] = { 1, 2, 3 };list<int> l1(array1, array1 + sizeof(array1) / sizeof(array1[0]));int array2[] = { 16,2,77,29 };std::list<int> l2(array2, array2 + sizeof(array2) / sizeof(int));PrintList(l1);// 交换l1和l2中的元素l1.swap(l2);PrintList(l1);PrintList(l2);// 将l2中的元素清空l2.clear();cout << l2.size() << endl;
}
list中还有一些操作，需要用到时可参阅list的文档说明
list的迭代器失效
前面说过，此处可将迭代器暂时理解成类似于指针，迭代器失效即迭代器所指向的节点的无效，即该节点被删除了。因为list的底层结构为带头结点的双向循环链表，因此在list中进行插入时是不会导致list的迭代器失效的，只有在删除时才会失效，并且失效的只是指向被删除节点的迭代器，其他迭代器不会受到影响。
#include <list>
void TestListIterator1()
{int array[] = { 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 0 };list<int> l(array, array + sizeof(array) / sizeof(array[0]));auto it = l.begin();while (it != l.end()){// erase()函数执行后，it所指向的节点已被删除，因此it无效，在下一次使用it时，必须先给其赋值{l.erase(it);}++it;}
}// 改正
void TestListIterator()
{int array[] = { 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 0 };list<int> l(array, array + sizeof(array) / sizeof(array[0]));auto it = l.begin();while (it != l.end()){l.erase(it++); // it = l.erase(it);}
}
List 的迭代器
迭代器有两种实现方式，具体应根据容器底层数据结构实现：
- 原生态指针，比如：vector
- 将原生态指针进行封装，因迭代器使用形式与指针完全相同，因此在自定义的类中必须实现以下方法：
- 指针可以解引用，迭代器的类中必须重载operator*()
- 指针可以通过->访问其所指空间成员，迭代器类中必须重载oprator->()
- 指针可以++向后移动，迭代器类中必须重载operator++()与operator++(int)至于operator–()/operator–(int)释放需要重载，根据具体的结构来抉择，双向链表可以向前 移动，所以需要重载，如果是forward_list就不需要重载–
- 迭代器需要进行是否相等的比较，因此还需要重载operator==()与operator!=()
list与vector的对比
老生常谈的问题，每当谈到动态数组和双向链表的时候，都会拿它们进行以此对比。
vector与list都是STL中非常重要的序列式容器，由于两个容器的底层结构不同，导致其特性以及应用场景不同，其主要不同如下
| vector | list | |
|---|---|---|
| 底 层 结 构 | 动态顺序表，一段连续空间 | 带头结点的双向循环链表 |
| 随 机 访 问 | 支持随机访问，访问某个元素效率O(1) | 不支持随机访问，访问某个元素 效率O(N) |
| 插 入 和 删 除 | 任意位置插入和删除效率低，需要搬移元素，时间复杂 度为O(N)，插入时有可能需要增容，增容：开辟新空 间，拷贝元素，释放旧空间，导致效率更低 | 任意位置插入和删除效率高，不 需要搬移元素，时间复杂度为 O(1) |
| 空 间 利 用 率 | 底层为连续空间，不容易造成内存碎片，空间利用率 高，缓存利用率高 | 底层节点动态开辟，小节点容易 造成内存碎片，空间利用率低， 缓存利用率低 |
| 迭 代 器 | 原生态指针 | 对原生态指针(节点指针)进行封装 |
| 迭 代 器 失 效 | 在插入元素时，要给所有的迭代器重新赋值，因为插入 元素有可能会导致重新扩容，致使原来迭代器失效，删 除时，当前迭代器需要重新赋值否则会失效 | 插入元素不会导致迭代器失效， 删除元素时，只会导致当前迭代 器失效，其他迭代器不受影响 |
| 使 用 场 景 | 需要高效存储，支持随机访问，不关心插入删除效率 | 大量插入和删除操作，不关心随机访问 |
stack类
stack介绍
- stack是一种容器适配器，专门用在具有后进先出操作的上下文环境中，其删除只能从容器的一端进行元素的插入与提取操作。
- stack是作为容器适配器被实现的，容器适配器即是对特定类封装作为其底层的容器，并提供一组特定的成员函数来访问其元素，将特定类作为其底层的，元素特定容器的尾部(即栈顶)被压入和弹出。
- stack的底层容器可以是任何标准的容器类模板或者一些其他特定的容器类，这些容器类应该支持以下
操作：- empty：判空操作
- back：获取尾部元素操作
- push_back：尾部插入元素操作
- pop_back：尾部删除元素操作
- 标准容器vector、deque、list均符合这些需求，默认情况下，如果没有为stack指定特定的底层容器，默认情况下使用deque。
stack使用
| 函数说明 | 接口说明 |
|---|---|
| stack() | 构造空的栈 |
| empty() | 检测stack是否为空 |
| size() | 返回stack中元素的个数 |
| top() | 返回栈顶元素的引用 |
| push() | 将元素val压入stack中 |
| pop() | 将stack中尾部的元素弹出 |
stack的模拟实现
从栈的原理中可以看出，栈实际是一种特殊的vector，因此使用vector完全可以模拟实现stack。
#include<vector>
namespace yrr
{template<class T>class stack{public:stack() {}void push(const T& x) { _c.push_back(x); }void pop() { _c.pop_back(); }T& top() { return _c.back(); }const T& top()const { return _c.back(); }size_t size()const { return _c.size(); }bool empty()const { return _c.empty(); }private:std::vector<T> _c;}
}
queue类
queue介绍
- 队列是一种容器适配器，专门用于在FIFO上下文(先进先出)中操作，其中从容器一端插入元素，另一端提取元素。
- 队列作为容器适配器实现，容器适配器即将特定容器类封装作为其底层容器类，queue提供一组特定的成员函数来访问其元素。元素从队尾入队列，从队头出队列。
- 底层容器可以是标准容器类模板之一，也可以是其他专门设计的容器类。该底层容器应至少支持以下操作:
- empty：检测队列是否为空
- size：返回队列中有效元素的个数
- front：返回队头元素的引用
- back：返回队尾元素的引用
- push_back：在队列尾部入队列
- pop_front：在队列头部出队列
- 标准容器类deque和list满足了这些要求。默认情况下，如果没有为queue实例化指定容器类，则使用标准容器deque。
queue使用
| 函数声明 | 接口说明 |
|---|---|
| queue() | 构造空的队列 |
| empty() | 检测队列是否为空，是返回true，否则返回false |
| size() | 返回队列中有效元素的个数 |
| front() | 返回队头元素的引用 |
| back() | 返回队尾元素的引用 |
| push() | 在队尾将元素val入队列 |
| pop() | 将队头元素出队列 |
queue的模拟实现
因为queue的介绍中存在头删和尾插，因此使用vector来封装效率太低，故可以借助list来模拟实现queue，具体如下：
#include <list>
namespace cxy
{template<class T>class queue{public:queue() {}void push(const T& x) { _c.push_back(x); }void pop() { _c.pop_front(); }T& back() { return _c.back(); }const T& back()const { return _c.back(); }T& front() { return _c.front(); }const T& front()const { return _c.front(); }size_t size()const { return _c.size(); }bool empty()const { return _c.empty(); }private:std::list<T> _c;};
}
priority_queue类
priority_queue介绍
-
优先队列是一种容器适配器，根据严格的弱排序标准，它的第一个元素总是它所包含的元素中最大的。
-
此上下文类似于堆，在堆中可以随时插入元素，并且只能检索最大堆元素(优先队列中位于顶部的元素)。
-
优先队列被实现为容器适配器，容器适配器即将特定容器类封装作为其底层容器类，queue提供一组特定的成员函数来访问其元素。元素从特定容器的“尾部”弹出，其称为优先队列的顶部。
-
底层容器可以是任何标准容器类模板，也可以是其他特定设计的容器类。容器应该可以通过随机访问迭代器访问，并支持以下操作：
- empty()：检测容器是否为空；
- size()：返回容器中有效元素个数；
- front()：返回容器中第一个元素的引用；
- push_back()：在容器尾部插入元素；
- pop_back()：删除容器尾部元素；
-
标准容器类vector和deque满足这些需求。默认情况下，如果没有为特定的priority_queue类实例化指定容器类，则使用vector。
-
需要支持随机访问迭代器，以便始终在内部保持堆结构。容器适配器通过在需要时自动调用算法函数make_heap、push_heap和pop_heap来自动完成此操作。
priority_queue的使用
优先级队列默认使用vector作为其底层存储数据的容器，在vector上又使用了堆算法将vector中元素构造成堆的结构，因此priority_queue就是堆，所有需要用到堆的位置，都可以考虑使用priority_queue。注意：默认情况下priority_queue是大堆。
| 函数声明 | 接口说明 |
|---|---|
| priority_queue()/priority_queue(first, last) | 构造一个空的优先级队列 |
| empty( ) | 检测优先级队列是否为空，是返回true，否则返回 false |
| top( ) | 返回优先级队列中最大(最小元素)，即堆顶元素 |
| push(x) | 在优先级队列中插入元素x |
| pop() | 删除优先级队列中最大(最小)元素，即堆顶元素 |
【注意】：
- 默认情况下，priority_queue是大堆。
#include <vector>
#include <queue>
#include <functional> // greater算法的头文件void TestPriorityQueue()
{// 默认情况下，创建的是大堆，其底层按照小于号比较vector<int> v{ 3,2,7,6,0,4,1,9,8,5 };priority_queue<int> q1;for (auto& e : v)q1.push(e);cout << q1.top() << endl;// 如果要创建小堆，将第三个模板参数换成greater比较方式priority_queue<int, vector<int>, greater<int>> q2(v.begin(), v.end());cout << q2.top() << endl;
}
- 如果在priority_queue中放自定义类型的数据，用户需要在自定义类型中提供> 或者< 的重载。
#include <queue>
#include <functional> // greater算法的头文件class Date
{
public:Date(int year = 1900, int month = 1, int day = 1): _year(year), _month(month), _day(day){}bool operator<(const Date& d)const{return (_year < d._year) ||(_year == d._year && _month < d._month) ||(_year == d._year && _month == d._month && _day < d._day);}bool operator>(const Date& d)const{return (_year > d._year) ||(_year == d._year && _month > d._month) ||(_year == d._year && _month == d._month && _day > d._day);}friend ostream& operator<<(ostream& _cout, const Date& d){_cout << d._year << "-" << d._month << "-" << d._day;return _cout;}
private:int _year;int _month;int _day;
};
void TestPriorityQueue()
{// 大堆，需要用户在自定义类型中提供<的重载priority_queue<Date> q1;q1.push(Date(2018, 10, 29));q1.push(Date(2018, 10, 28));q1.push(Date(2018, 10, 30));cout << q1.top() << endl;// 如果要创建小堆，需要用户提供>的重载priority_queue<Date, vector<Date>, greater<Date>> q2;q2.push(Date(2018, 10, 29));q2.push(Date(2018, 10, 28));q2.push(Date(2018, 10, 30));cout << q2.top() << endl;
}
容器适配器
什么是适配器
适配器是一种设计模式(设计模式是一套被反复使用的、多数人知晓的、经过分类编目的、代码设计经验的总结)，该种模式是将一个类的接口转换成客户希望的另外一个接口。 （参考手机充电口的通用口Type-C、以前安卓micro-USB, 苹果Lightning)
STL标准库中stack和queue的底层结构
虽然stack和queue中也可以存放元素，但在STL中并没有将其划分在容器的行列，而是将其称为容器适配器，这是因为stack和队列只是对其他容器的接口进行了包装，STL中stack和queue默认使用deque，比如：
// STL里的stack定义
template <class T, class Container = deque<T> > class stack;// STL里的queue定义
template <class T, class Container = deque<T> > class queue;// STL里的priority_queue定义
template <class T, class Container = vector<T>, class Compare = less<typename Container::value_type> >
class priority_queue;
他们都使用的到了容器deque或vector
deque的简单介绍(了解)
deque的原理介绍
deque(双端队列)：是一种双开口的"连续"空间的数据结构，双开口的含义是：可以在头尾两端进行插入和删除操作，且时间复杂度为O(1)，与vector比较，头插效率高，不需要搬移元素；与list比较，空间利用率比较高。
deque并不是真正连续的空间，而是由一段段连续的小空间拼接而成的，实际deque类似于一个动态的二维数组，其底层结构如下图所示：
双端队列底层是一段假象的连续空间，实际是分段连续的，为了维护其“整体连续”以及随机访问的假象，落在了deque的迭代器身上，因此deque的迭代器设计就比较复杂，如下图所示：
那deque是如何借助其迭代器维护其假想连续的结构呢？
deque的缺陷
- 与vector比较，deque的优势是：头部插入和删除时，不需要搬移元素，效率特别高，而且在扩容时，也不需要搬移大量的元素，因此其效率是必vector高的。
- 与list比较，其底层是连续空间，空间利用率比较高，不需要存储额外字段。
- 但是，deque有一个致命缺陷：不适合遍历，因为在遍历时，deque的迭代器要频繁的去检测其是否移动到某段小空间的边界，导致效率低下，而序列式场景中，可能需要经常遍历，因此在实际中，需要线性结构时，大多数情况下优先考虑vector和list，deque的应用并不多，而目前能看到的一个应用就是，STL用其作为stack和queue的底层数据结构。
为什么选择deque作为stack和queue的底层默认容器
stack是一种后进先出的特殊线性数据结构，因此只要具有push_back()和pop_back()操作的线性结构，都可以作为stack的底层容器，比如vector和list都可以；
queue是先进先出的特殊线性数据结构，只要具有push_back和pop_front操作的线性结构，都可以作为queue的底层容器，比如list。
但是STL中对stack和queue默认选择deque作为其底层容器，主要是因为：
- stack和queue不需要遍历(因此stack和queue没有迭代器)，只需要在固定的一端或者两端进行操作。
- 在stack中元素增长时，deque比vector的效率高(扩容时不需要搬移大量数据)；queue中的元素增长时，deque不仅效率高，而且内存使用率高。
结合了deque的优点，而完美的避开了其缺陷！！！！😃
他们都使用的到了容器deque或vector
deque的简单介绍(了解)
deque的原理介绍
deque(双端队列)：是一种双开口的"连续"空间的数据结构，双开口的含义是：可以在头尾两端进行插入和删除操作，且时间复杂度为O(1)，与vector比较，头插效率高，不需要搬移元素；与list比较，空间利用率比较高。
deque并不是真正连续的空间，而是由一段段连续的小空间拼接而成的，实际deque类似于一个动态的二维数组，其底层结构如下图所示：
双端队列底层是一段假象的连续空间，实际是分段连续的，为了维护其“整体连续”以及随机访问的假象，落在了deque的迭代器身上，因此deque的迭代器设计就比较复杂，如下图所示：
那deque是如何借助其迭代器维护其假想连续的结构呢？
deque的缺陷
- 与vector比较，deque的优势是：头部插入和删除时，不需要搬移元素，效率特别高，而且在扩容时，也不需要搬移大量的元素，因此其效率是必vector高的。
- 与list比较，其底层是连续空间，空间利用率比较高，不需要存储额外字段。
- 但是，deque有一个致命缺陷：不适合遍历，因为在遍历时，deque的迭代器要频繁的去检测其是否移动到某段小空间的边界，导致效率低下，而序列式场景中，可能需要经常遍历，因此在实际中，需要线性结构时，大多数情况下优先考虑vector和list，deque的应用并不多，而目前能看到的一个应用就是，STL用其作为stack和queue的底层数据结构。
为什么选择deque作为stack和queue的底层默认容器
stack是一种后进先出的特殊线性数据结构，因此只要具有push_back()和pop_back()操作的线性结构，都可以作为stack的底层容器，比如vector和list都可以；
queue是先进先出的特殊线性数据结构，只要具有push_back和pop_front操作的线性结构，都可以作为queue的底层容器，比如list。
但是STL中对stack和queue默认选择deque作为其底层容器，主要是因为：
- stack和queue不需要遍历(因此stack和queue没有迭代器)，只需要在固定的一端或者两端进行操作。
- 在stack中元素增长时，deque比vector的效率高(扩容时不需要搬移大量数据)；queue中的元素增长时，deque不仅效率高，而且内存使用率高。
结合了deque的优点，而完美的避开了其缺陷！！！！😃
