【C++】STL快速入门基础

文章目录

STL（Standard Template Library）
- 1、一般介绍
- 2、STL的六大组件
- - 2.1、STL容器
  - 2.2、STL迭代器
  - 2.3、相关容器的函数
  - - vector
    - pair
    - string
    - queue
    - priority_queue
    - stack
    - deque
    - set, map, multiset, multimap
    - unordered_set, unordered_map, unordered_multiset, unordered_multimap
    - bitset
- 3、STL算法概述
- - 查找算法
  - 排序和通用算法
  - 删除和替换算法
  - 排列组合算法
  - 算术算法
  - 生成和异变算法
  - 关系算法
  - 集合算法
  - 堆算法

STL（Standard Template Library）

1、一般介绍

STL（Standard Template Library）是一个具有工业强度的、高效的C++程序库，被容纳于C++标准程序库中，是ANSI/ISO C++标准中最新的一部分。STL包含了在计算机科学领域常用的基本数据结构和基本算法，为广大C++程序员提供了一个可扩展的应用框架，高度体现了软件的可复用性。

STL在逻辑层次上体现了泛型化程序设计的思想，引入了诸多新的名词，如需求（requirements）、概念（concept）、模型（model）、容器（container）、算法（algorithmn）、迭代子（iterator）等。与OOP（object-oriented programming）中的多态（polymorphism）一样，泛型也是一种软件的复用技术。

在实现层次上，整个STL是以一种类型参数化（type parameterized）的方式实现的，基于一个在早先C++标准中没有出现的语言特性–模板（template）。如果查阅任何一个版本的STL源代码，你就会发现，模板作为构成整个STL的基石是一件千真万确的事情。除此之外，还有许多C++的新特性为STL的实现提供了方便。

2、STL的六大组件

STL的六大组件包括：

容器（Container）：包括序列式容器（Sequence containers）和关联式容器（Associated containers）。
- 序列式容器：每个元素有固定位置，如vector、deque、list。
- 关联式容器：元素位置取决于特定的排序准则，如set、multiset、map、multimap。
迭代器（Iterator）：提供访问容器中对象的方法，包括iterator、const_iterator、reverse_iterator和const_reverse_iterator。
算法（Algorithm）：用于操作容器中的数据，如sort()、find()等，与操作的数据结构和类型无关，可在各种数据结构上使用。
仿函数（Function object）：重载了()操作符的struct，用于自定义操作。
迭代适配器（Adaptor）：用于在不同的迭代器之间进行转换。
空间配置器（Allocator）：用于对象的创建与销毁、内存的获取与释放。

STL的容器比较包括vector、deque、list、set、multiset、map、multimap等，各自具有不同的特点和适用场景。迭代器模式提供了一种方法顺序访问一个聚合对象中的元素，而不需暴露该对象的内部表示，提高了代码的灵活性和复用性。

2.1、STL容器

STL（标准模板库）提供了多种容器，用于存储和管理数据。常见的STL容器包括以下几种：

序列式容器（Sequence Containers）：
- vector：动态数组，支持快速随机访问，尾部插入/删除速度快，中间插入/删除较慢。
- deque：双端队列，支持快速随机访问，首尾插入/删除速度快，中间插入/删除较慢。
- list：双向链表，不支持随机访问，任意位置插入/删除速度快。
关联式容器（Associative Containers）：
- set：集合，内部元素按照某种规则自动排序，元素值唯一。
- multiset：多重集合，内部元素按照某种规则自动排序，可以有重复元素。
- map：映射，键值对集合，内部元素按照键值排序，键值唯一。
- multimap：多重映射，键值对集合，内部元素按照键值排序，可以有重复键值。
无序关联式容器（Unordered Associative Containers）：
- unordered_set：无序集合，内部元素不按照特定顺序存储，元素值唯一。
- unordered_multiset：无序多重集合，内部元素不按照特定顺序存储，可以有重复元素。
- unordered_map：无序映射，键值对集合，内部元素不按照特定顺序存储，键值唯一。
- unordered_multimap：无序多重映射，键值对集合，内部元素不按照特定顺序存储，可以有重复键值。
容器适配器（Container Adapters）：

实际上是容器适配器（container adapter），它们并非真正的容器，而是对底层容器（如vector、deque、list等）进行了封装，提供了特定的功能接口。
- stack：栈，基于底层容器实现的栈数据结构。
- queue：队列，基于底层容器实现的队列数据结构。
- priority_queue：优先队列，基于堆（heap）实现的优先队列数据结构。

每种容器都有其特定的使用场景和性能特点，选择合适的容器可以提高程序的效率和可维护性。

各容器的比较：

容器	数据结构	随机存取	搜索速度（时间复杂度）	快速插入移除
vector	动态数组	Yes	O(1)	尾部
deque	数组的数组	Yes	O(1)	首尾
list	双向链表	No	O(n)	任何位置
set	红黑树	No	O(log n)	–
map	红黑树	Yes(key)	O(log n)	–
unordered_map	哈希表	Yes	O(1)	–
unordered_set	哈希表	No	O(1)	–
stack	deque	Yes	O(1)	尾部
queue	deque	Yes	O(1)	首部
priority_queue	vector(heap)	Yes	O(log n)	–

2.2、STL迭代器

Iterator（迭代器）模式又称Cursor（游标）模式，用于提供一种方法顺序访问一个聚合对象中各个元素,而又不需暴露该对象的内部表示。或者这样说可能更容易理解：Iterator模式是运用于聚合对象的一种模式，通过运用该模式，使得我们可以在不知道对象内部表示的情况下，按照一定顺序（由iterator提供的方法）访问聚合对象中的各个元素。

迭代器的作用：能够让迭代器与算法不干扰的相互发展，最后又能无间隙的粘合起来，重载了***，＋＋，＝＝，！＝，＝**运算符。用以操作复杂的数据结构，容器提供迭代器，算法使用迭代器；

常见的一些迭代器的种类包括：

Input Iterator：从容器中读取元素，只能一次读入一个元素向前移动，只支持一遍算法。
Output Iterator：向容器中写入元素，只能一次一个元素向前移动，只支持一遍算法。
Forward Iterator：组合输入迭代器和输出迭代器的功能，并保留在容器中的位置。
Bidirectional Iterator：组合正向迭代器和逆向迭代器的功能，支持多遍算法。
Random Access Iterator：组合双向迭代器的功能与直接访问容器中任何元素的功能，可以向前向后跳过任意个元素。

上述5种迭代器的继承关系如下图所示：

STL容器迭代器失效情况分析、总结（2）_不要访问已经删除的迭代器-CSDN博客

要注意，上面这图表并不是表明它们之间的继承关系：而只是描述了迭代器的种类和接口。处于图表下层的迭代器都是相对于处于图表上层迭代器的扩张集。例如：forward迭代器不但拥有input和output迭代器的所有功能，还拥有更多的功能。

迭代器一般声明使用示例

vector<T>::iterator it;
list<T>::iterator it;
deque<T>::iterator it；

每种迭代器均可进行包括表中前一种迭代器可进行的操作

迭代器操作	说明
所有迭代器
`p++`	后置自增迭代器
`++p`	前置自增迭代器
输入迭代器
`*p`	复引用迭代器，作为右值
`p=p1`	将一个迭代器赋给另一个迭代器
`p==p1`	比较迭代器的相等性
`p!=p1`	比较迭代器的不等性
输出迭代器
`*p`	复引用迭代器，作为左值
`p=p1`	将一个迭代器赋给另一个迭代器
正向迭代器	提供输入输出迭代器的所有功能
双向迭代器
`--p`	前置自减迭代器
`p--`	后置自减迭代器
随机迭代器
`p+=i`	将迭代器递增i位
`p-=i`	将迭代器递减i位
`p+i`	在p位加i位后的迭代器
`p-i`	在p位减i位后的迭代器
`p[i]`	返回p位元素偏离i位的元素引用
`p<p1`	如果迭代器p的位置在p1前，返回true，否则返回false
`p<=p1`	p的位置在p1的前面或同一位置时返回true，否则返回false
`p>p1`	如果迭代器p的位置在p1后，返回true，否则返回false
`p>=p1`	p的位置在p1的后面或同一位置时返回true，否则返回false

2.3、相关容器的函数

vector

变长数组，采用倍增的思想。
size(): 返回元素个数。
empty(): 返回是否为空。
clear(): 清空容器。
front()/back(): 返回第一个/最后一个元素。
push_back()/pop_back(): 在尾部插入/删除一个元素。
begin()/end(): 返回迭代器指向容器的起始/末尾位置。
[]: 支持下标访问，按照顺序访问元素。
支持比较运算，按照字典序排序。

pair

存储一对值，通常用于存储一对相关联的数据。
first: 第一个元素。
second: 第二个元素。
支持比较运算，以first为第一关键字，以second为第二关键字（按照字典序）。

string

字符串容器。
size()/length(): 返回字符串长度。
empty(): 返回是否为空。
clear(): 清空字符串。
substr(start, length): 返回子串。
c_str(): 返回字符串所在字符数组的起始地址。

queue

队列容器。
size(): 返回队列中元素个数。
empty(): 返回是否为空。
push(val): 向队尾插入一个元素。
front(): 返回队头元素。
back(): 返回队尾元素。
pop(): 弹出队头元素。

priority_queue

优先队列容器，默认是大根堆。
size(): 返回优先队列中元素个数。
empty(): 返回是否为空。
push(val): 插入一个元素。
top(): 返回堆顶元素。
pop(): 弹出堆顶元素。
可以定义成小根堆的方式：priority_queue<int, vector<int>, greater<int>> q;。

stack

栈容器。
size(): 返回栈中元素个数。
empty(): 返回是否为空。
push(val): 向栈顶插入一个元素。
top(): 返回栈顶元素。
pop(): 弹出栈顶元素。

deque

双端队列容器。
size(): 返回双端队列中元素个数。
empty(): 返回是否为空。
clear(): 清空双端队列。
front()/back(): 返回第一个/最后一个元素。
push_back()/pop_back(): 在尾部插入/删除一个元素。
push_front()/pop_front(): 在头部插入/删除一个元素。
begin()/end(): 返回迭代器指向容器的起始/末尾位置。
[]: 支持下标访问，按照顺序访问元素。

set, map, multiset, multimap

基于平衡二叉树（红黑树）的动态维护有序序列容器。
size(): 返回容器中元素个数。
empty(): 返回是否为空。
clear(): 清空容器。
begin()/end(): 返回迭代器指向容器的起始/末尾位置。
++, --: 返回前驱和后继，时间复杂度 O(logn)。
insert(): 插入一个元素。
find(): 查找一个元素。
count(): 返回某个元素的个数。
erase(): 删除元素，支持输入一个元素值或一个迭代器。
lower_bound()/upper_bound(): 返回大于等于/大于某个值的最小元素的迭代器。

unordered_set, unordered_map, unordered_multiset, unordered_multimap

哈希表容器。
增删改查的时间复杂度是 O(1)。
不支持 lower_bound()/upper_bound()，迭代器的 ++, --。

bitset

位集合容器，用于处理位操作。
bitset<10000> s;
支持位运算操作 ~, &, |, ^, >>, <<.
支持比较操作 ==, !=.
支持 [] 访问操作。
count(): 返回有多少个1。
any(): 判断是否至少有一个1。
none(): 判断是否全为0。
set(): 把所有位设置为1。
set(k, v): 将第k位设置为v。
reset(): 把所有位设置为0。
flip(): 对所有位取反，等价于 ~。
flip(k): 对第k位取反。

3、STL算法概述

STL（Standard Template Library）算法是C++标准模板库的核心部分，提供了丰富的算法来操作各种容器。STL算法主要由头文件<algorithm>, <numeric>, <functional>组成。要使用STL中的算法函数必须包含头文件<algorithm>，对于数值算法需要包含<numeric>，<functional>中定义了一些模板类，用来声明函数对象。

STL中的算法大致可以分为以下四类：