【C++泛型编程】（二）标准模板库 STL

文章目录

  • 标准模板库 STL
    • 容器
    • 算法
    • 迭代器
    • 仿函数/函数对象
    • 适配器
    • 分配器
    • 示例

标准模板库 STL

C++ 的标准模板库（Standard Template Library，STL）旨在通过模板化的设计，提供一种通用的编程模式，使程序员能方便地实现和扩展各种数据结构和算法，提高程序的开发效率和执行效率。STL 的设计遵循泛型编程的原则，其组件可以处理各种类型的数据。

STL 中的组件包括容器（containers）、迭代器（iterators）、算法（algorithms）、仿函数/函数对象（function objects）、适配器（adaptors） 和分配器（allocators）。他们的关系如图所示：

容器负责存储数据，算法用于执行数据处理操作，迭代器为算法提供数据访问机制，仿函数用于定义算法的行为策略，适配器用于修改和扩展接口，而分配器用于管理内存资源，

容器

容器是一组模板类，内部封装了数据的存储和访问机制，对外部提供了统一的接口。在STL中，容器被分为两大类：序列式容器（Sequence Containers）和关联式容器（Associative Containers）。

序列式容器用于存储具有严格线性关系的元素序列。它们以线性方式存储元素，可以动态地添加、删除和访问元素。序列式容器主要有以下几种：

  • std::vector：动态数组，可以存储相同类型的元素。支持随机访问元素，但在数组中间插入或删除元素可能会导致大量的元素移动。
  • std::deque：双端队列，具有在两端添加和删除元素的高效性。与std::vector类似，但支持更高效的头部插入和删除。
  • std::list：双向链表，元素在内存中不是连续存储的。在链表的任何位置添加或删除元素都非常高效，但随机访问元素效率较低。
  • std::forward_list（C++11起）：单向链表，与std::list类似，但只支持向前迭代。
  • std::array（C++11起）：固定大小的数组，不支持动态大小调整。提供与原生数组类似的性能，但具有STL容器的接口。
  • std::string：虽然std::string主要用于处理字符串，但它在内部实际上是一个特化的std::basic_string模板，因此也可以被视为一种序列式容器。

关联式容器存储的元素具有键值对（key-value pair）的关联关系。关联式容器内部通常使用红黑树（对于有序的容器）或哈希表（对于无序的容器）来实现，以支持高效的查找、插入和删除操作。关联式容器主要有以下几种：

  • std::set：集合，包含唯一的元素，元素在容器中按升序排列。
  • std::multiset：多重集合，允许存储重复的元素，元素在容器中按升序排列。
  • std::map：映射，存储键值对，其中键（key）是唯一的，并且按键的升序存储。
  • std::multimap：多重映射，允许存储具有相同键的多个键值对，并且按键的升序存储。
  • std::unordered_set（C++11起）：无序集合，与std::set类似，但元素的顺序不保证。它使用哈希表来实现，因此插入、删除和查找操作的平均时间复杂度都是O(1)。
  • std::unordered_multiset（C++11起）：无序多重集合，与std::multiset类似，但元素的顺序不保证。
  • std::unordered_map（C++11起）：无序映射，与std::map类似，但元素的顺序不保证。它使用哈希表来实现，因此操作效率更高。
  • std::unordered_multimap（C++11起）：无序多重映射，与std::multimap类似，但元素的顺序不保证。

算法

算法是处理数据的函数或函数模板，它们不存储数据，而是对数据进行操作。算法通过迭代器从容器中获取数据，并执行相应的操作。STL算法的头文件主要包括<algorithm>、<numeric>和<functional>。以下是一些常用的STL算法：

遍历算法：

  • for_each：对容器中的每个元素执行指定的操作。

查找算法：

  • find：在容器中查找等于指定值的元素。
  • find_if：在容器中查找满足特定条件的第一个元素。
  • adjacent_find：查找相邻的重复元素或满足特定条件的相邻元素对。
  • binary_search：在已排序的范围内查找指定元素。
  • count：计算容器中等于指定值的元素个数。
  • count_if：计算容器中满足特定条件的元素个数。

排序算法：

  • sort：对容器中的元素进行排序。
  • random_shuffle：随机打乱容器中的元素顺序（注意：C++17开始已被弃用，推荐使用其他方式实现随机排序）。
  • merge：合并两个已排序的范围。
  • reverse：反转容器中的元素顺序。

拷贝和替换算法：

  • copy：从一个位置拷贝元素到另一个位置。
  • replace：替换容器中等于指定值的元素。
  • replace_if：替换容器中满足特定条件的元素。
  • swap：交换两个元素的值。

算术生成算法：

  • accumulate：计算容器中元素的累积和（或其他二元操作的累积结果）。
  • fill：用指定值填充容器中的元素。

集合算法：

  • set_intersection：计算两个已排序集合的交集。
  • set_union：计算两个已排序集合的并集。
  • set_difference：计算两个已排序集合的差集（第一个集合中存在但第二个集合中不存在的元素）。

迭代器

迭代器是访问容器中元素的指针或类似指针的对象。 迭代器允许算法间接访问和操作容器中的元素。 容器可以通过返回迭代器的方式向算法暴露其内部元素。

仿函数/函数对象

仿函数/函数对象是一个行为类似于函数的对象，可以被调用，并且可以在泛型编程中用作函数参数，用于定义算法的行为策略 (允许我们为算法提供自定义的比较、判断或操作规则)。 在C++中，仿函数可以通过函数指针、函数对象（重载了函数调用运算符operator()的对象）、以及C++11引入的lambda表达式来定义。

适配器

适配器用于修改或扩展已有组件的接口，使它们能够更好地适应不同的使用场景。 STL中主要包括容器适配器,迭代器适配器和仿函数适配器。

容器适配器 提供了一种机制，用于修改或扩展容器的行为。STL提供了三种容器适配器：stack（栈）、queue（队列）和priority_queue（优先队列），其中stack和queue分别提供了栈和队列的数据结构，而priority_queue则允许元素根据优先级进行排序。

迭代器适配器（Iterator Adapters） 提供了一种机制，可以将非迭代器对象转换为迭代器对象，或者改变迭代器的行为。STL中的迭代器适配器包括back_insert_iterator、front_insert_iterator和insert_iterator等。这些适配器分别提供了在容器的末尾、开头或任意位置插入元素的功能。

函数对象适配器 STL中的函数函数适配器包括bind、mem_fun和mem_fun_ref等。这些适配器可以将成员函数、函数指针或其他可调用对象转换为函数对象，以便与STL算法一起使用。

分配器

分配器在容器的创建和销毁过程中起着关键作用，它们负责为容器分配和回收内存资源。 STL容器默认使用标准分配器std::allocator，但也可以自定义分配器来满足特定的内存管理需求。

示例

下面是一个STL的使用示例，它使用了std::vector（容器）、迭代器、std::find_if（算法）、lambda函数（函数对象）、默认的std::allocator（隐式使用），以及std::stack（容器适配器）：

#include <iostream>
#include <vector>
#include <algorithm>
#include <stack>int main() {// 容器: 使用vector容器存储整数std::vector<int> numbers = {1, 5, 8, 3, 9, 2};// 迭代器: 使用迭代器（指针）遍历vector  // 1. 获取vector的begin()和end()迭代器  // 2. 使用迭代器 it 遍历容器中的元素，直到达到end()迭代器  for (std::vector<int>::iterator it = numbers .begin(); it != numbers .end(); ++it) {  std::cout << *it << " ";  } std::cout << std::endl;// 函数对象: 使用lambda表达式检查一个整数是否大于5auto is_greater_than_five = [](int num) { return num > 5; };// 算法: 使用find_if查找第一个大于5的数, it也为迭代器（指向结果的指针）auto it = std::find_if(numbers.begin(), numbers.end(), is_greater_than_five);if (it != numbers.end()) {std::cout << "Found a number greater than 5: " << *it << std::endl;} else {std::cout << "No number greater than 5 found." << std::endl;}// 容器适配器: 使用stack适配器（基于vector）std::stack<int, std::vector<int>> numStack;// 将vector中的元素压入stack中（这里为了演示，只压入找到的那个大于5的数）if (it != numbers.end()) {numStack.push(*it);}// 弹出stack中的元素并打印while (!numStack.empty()) {std::cout << "Popped from stack: " << numStack.top() << std::endl;numStack.pop();}// 分配器: vector默认使用std::allocator，而stack适配器也使用其底层容器的分配器return 0;
}

1 5 8 3 9 2 
Found a number greater than 5: 8
Popped from stack: 8

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