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C++ STL标准模板库

除了运行时库之外,C++ 还提供了一个模板库。标准模板库(STL包含许多用于实现数据类型和算法的模板。

STL 中最重要的数据结构容器迭代器。容器是一种存储数据并以某种方式组织数据的类。迭代器是一个像指针一样工作的对象,允许访问存储在容器中的项目。

顺序容器

STL 中有两种类型的容器类:顺序容器关联容器。顺序容器以序列的形式存储项目,这意味着按照项目在容器内的位置以自然方式排序项目。数组就是顺序容器的一个示例。

STL提供了如表 1 所示的 3 个顺序容器。

表 1 STL顺序容器
容器名称 描 述
vector 作为一个数组实现的一系列项目,在程序执行期间可以根据需要自动增长。项目可以高 效地从矢量末尾添加或删除。从矢量的中间或开始位置插入或删除项目的效率不高
deque 一系列具有头部和尾部的项目:项目可以有效地从头部和尾部添加或删除。在双端队列(deque)的中间插入和删除项目的效率都很低
list 允许从任意位置快速添加和删除的一系列项目

因为顺序容器按顺序组织它存储的项目,所以可称它有一个头部和一个尾部。如果可以指定容器中某个项目的位置,然后直接跳转到该项目,而不必遍历容器中该项目之前的所有项目,则称该容器提供了对其内容的随机访问方式。

随机访问中使用的位置通常是通过给定一个整数指定的,该整数指定了容器内所需项目的位置。该整数指定的位置可以相对于容器的头部、末尾或相对于其他位置。数组和矢量都是提供随机访问的顺序容器示例。

关联容器

顺序容器使用序列中的项目位置来访问其数据。相反,关联容器将一个键(Key)与存储的每个项目相关联,然后使用该键来检索存储的项目。电话簿是关联容器的一个示例,它存储的值是电话号码,每个电话号码都与一个名称相关联。该名称稍后可以用作查找或 检索电话号码的键。

STL 提供了 4 个关联容器,如表 2 所示。

表 2 STL关联容器
容器名称 描 述
set 存储一组键。不允许重复的值
multiset 存储一组键。允许重复的值
map 将一组键映射到数据元素。每个键都与唯一的数据元素相关联,并且不允许使用重复的键
multimap 将一组键映射到数据元素。相同的键可以关联多个值

map 是一个容器,要求每个存储的值都与一个键相关联。每个键可能只与一个值相关 联。一旦使用了键,则不能将具有相同键的其他值添加到 map 中

multimap 和 map 相似,只不过其键则可以关联多个值。

set 和 map 类似,只不过它仅存储键,并不关联值。没有项目能在一个 set 中存储两次,也就是说,不允许重复项目。multiset 很像 set,只不过它允许重复。

迭代器

迭代器是像指针一样的对象。它们可用于访问存储在容器中的项目。典型的迭代器是在容器类中声明的类的对象。迭代器可以重载指针运算符,如递增运算符 ++、递减运算符 -- 和解引用运算符 * 等,以提供类似于指针的行为。

每个 STL 容器对象都提供成员函数 begin() 和 end(),它们返回对象的开始和结束迭代器。如果容器是非空的,则 begin() 迭代器将指向容器开始处的项目,而 end() 迭代器则指向刚刚超过容器尾部的地方。

表 3 显示了可用于各种 STL 容器的不同类型的迭代器。

表 3 迭代器类型
迭代器类型 描 述
前向(Forward) 只能在容器中向前移动(使用++运算符)
双向(Bidirectional) 可以在容器中前后移动(使用++和一运算符)
随机访问(Random-Access) 可以在容器中前后移动,还可以直接跳转到指定的数据项目
输入(Input) 可以使用cin从输入设备或文件读取信息
输出(Output) 可以使用emit将信息写入输出设备或文件

迭代器的使用

每个STL容器类都定义了一个名为 iterator 的内部类,可用于创建迭代对象。示例如下:

vector<int>::iterator list<string>::iterator

以上示例都是内部类,可以相应为 vector<int> 和 list<string> 类型的容器提供迭代器。以下示例演示了如何为 int 类型的矢量和 string 列表定义迭代器,并将它们初始化为容器的开始位置。

vector<int> vect;
list<string> myList;
vector<int>::iterator vIter = vect.begin();
list<string>::iterator listIter = myList.begin();

在 C++ 11 中,可以将迭代器的类型声明为 auto,这样编译器将从容器的类型推断出迭代器的正确类型,如下所示:

auto vIter = vect.begin();
auto listIter = myList.begin();

除此之外,C++ 还提供了 begin(c) 和 end(c) 函数,当它们应用于 STL 容器 c 时,将相应返回 c.begin() 和 c.end() 迭代器。

所以,上面的 2 个示例也可以改写为以下形式:

auto vlter = begin(vect);
auto listlter = begin(myList);

begin(c) 和 end(c) 函数的好处是可以和数组一起使用。在某些情况下,这允许程序员编写能同时处理 STL 容器和数组的代码。

迭代器可以像指针一样工作,指示容器内的位置。如果 iter 是一个迭代器,则 *iter 就代表了在容器的迭代器位置中存储的元素。此外,编写 iter++ 将导致迭代器向前移动到容器的下一个位置。end() 迭代器始终指示超过容器最后一个元素的位置,所以它绝对不能被解引用。end() 迭代器仅用作标记符号,以防止掉入容器的末尾。

例如,以下代码将打印代码中的所有值:
vector<int> vect { 10, 20, 30, 40, 50};
auto vIter = vect.begin();
while (iter != vect.end())
{
    //打印iter位置的元素并向前迭代
    cout << *iter << " ";
    iter ++;
}
下面的程序演示了如何使用上述概念知识来处理数组和矢量。它的主要思路是编写如下模板函数:

template<typename T> void print(T begin_iter, T end_iter)

该函数釆用 T 类型形参。作为 T 传递的真实类型需要支持解引用运算符 * 和后缀递增运算符 ++。像这样的类型进入某些 STL 容器中可以作为迭代器,或者进入数组中作为指针。无论哪一种方式,都可以引用 T 作为迭代器类型。

请注意,begin_iter 和 end_iter 指定了某些容器中的开头和末尾位置。递增运算符 ++ 知道如何从容器中的一个位置移动到下一个位置。因此,无须第三个形参即可指定容器本身。在下面程序的代码清单中可以看到 print 函数的代码。

该程序的 main 函数演示了print函数的两种用法,其中一个用于 string 数组,另一个用于 int 类型的数组。
// This program demonstrates how iterators and related concepts can be used to write code that works with arrays and STL containers.
#include <algorithm>
#include <iostream>
#include <string>
#include <vector>
using namespace std;
template<typename T>

void print(T begin_iter, T end_iter)
{
    auto iter = begin_iter;
    while (iter != end_iter)
    {
        cout << *iter << ";
        iter++;
    }
    cout << endl;
}
int main()
{
    // Print an array of strings
    string names[]{ "Anna", "Bob", "Chuck" };
    print(begin(names), end(names));
    // Print a vector of integers
    vector<int> vec{ 10, 20, 30 };
    print(begin(vec), end(vec));
    return 0;
}
程序输出结果:

Anna Bob Chuck
10 20 30

vector容器

表 4 列出了矢量类模板的一些成员函数。其中一些接收迭代器作为形参,而另外一些则返回迭代器作为结果。

表 4 vector 类的成员函数精选
成员函数 描 述
at(position) 返回矢量中position位置的元素的值。示例:
x = vect.at(5);
该语句可以将矢量中位置5的元素的值赋给变量x
back() 返回对矢量中最后一个元素的引用。示例:
cout << vect.back() << endl;
begin() 返回指向矢量第一个元素的迭代器。示例:
iter = vect.begin();
capacity () 返回在不分配额外内存的情况下,矢量中可以存储的元素的最大数量。它和 size 成员函数返回的值并不相同。示例:
x = vect.capacity();
该语句可以将矢量的容量值赋给变量 x
clear() 清除矢量中的所有元素。示例:
vect.clear();
该语句可以将 vect 矢量中的元素全部删除掉
empty() 如果矢量为空则返回 true,否则返回 false。示例:
if (vect.empty())
cout<< "The vector is empty.";
end() 返回指向矢量最后一个元素后面位置的迭代器。示例:
iter = vect.end();
erase(iter) 导致迭代器 iter 指向的矢量元素被删除。示例:
vect.erase(iter);
erase(iterl, iter2) 导致迭代器 iter1 和 iter2 指定的范围中的所有矢量元素都被删除。示例:
vect.erase(iter1, iter2);
front() 返回对矢量中第一个元素的引用。示例:
cout << vector.front() << endl;
insert(iter,value) 将一个元素插入到矢量中。示例:
vect.insert(iter, x);
该语句可以将值 x 插入到由迭代器 iter 指向的元素的前面
insert(iter, n,value) 将 value 的 n 个副本插入到矢量中。插入的位置就在由迭代器 iter 指向的位置前面。 示例:
vect.insert(iter, 7, x);
该语句可以将值 x 的 7 个副本插入到由迭代器 iter 指向的元素前面
pop_back() 从矢量中删除最后一个元素。示例:
vect.pop back();
该语句可以将 vect 矢量的最后一个元素删除掉,这也意味着其大小会被减去 1
push_back(value) 将 value 存储为矢量最后一个元素的新值。如果该矢量的容量已经被填满,那么它会自动调整大小。示例:
vect.push back(7);
该语句可以将 vect 矢量最后一个元素的值存储为 7
reverse() 反转矢量中元素的顺序。最后一个元素变成第一个元素,而第一个元素则变成最后 一个元素。示例:
vect.reverse();.
resize(n) resize(n,value) 调整矢量的大小,使它拥有 n 个元素,其中 n 大于矢量的当前大小。如果包含了可选的 value 参数,则每个新元素都将使用该值进行初始化。示例,假设 vect 矢量当 前包含 4 个元素:
vect.resize(6,99);
该语句可以给矢量添加 2 个元素,并且每个新元素都将被初始化为 99
size() 返回 vector 矢量中元素的个数。示例:
cout << vector.size() << endl;
swap(vector2) 将当前矢量的内容和 vectors 矢量的内容交换。示例:
vectl.swap(vect2);
该语句可以交换矢量 vect1 和 vect2 的内容

算法

STL 提供的算法被实现为函数模板,并可对容器的元素执行各种操作。在 STL 中有很多算法,表 5 仅列出了其中的很少一部分(该表仅给出了一般说明)。

表 5 STL算法
算 法 描 述
binary_search 对某个对象执行二分搜索,如果找到对象则返回 true,否则返回 false。示例:
binary search(iter1, iter2, value);
在该语句中,iter1 和 iter2 定义了容器中的元素范围(iter1 指向范围中的第一个 元素,iter2 指向范围中最后一个元素之后)。语句对元素范围执行二分搜索,搜索 value。binary_search 函数在找到元素的情况下返回 true,如果未找到元素则返回 false
count 返回一个值出现在一个范围内的次数。示例:
number = count(iter1, iter2, value);
在该语句中,iter1 和 iter2 定义了容器中的元素范围(iter1 指向范围中的第一个 元素,iter2 指向范围中最后一个元素之后)。该语句返回 value 出现在元素范围内的次数
for_each 为容器中的每个元素执行一个函数。示例:
for each(iter1, iter2, func);
在这个语句中,iter1 和 iter2 定义了容器中的元素范围(iter1 指向范围中的第一 个元素,iter2 指向范围中的最后一个元素之后)。第 3 个参数 func 是函数的名称。 该语句为范围中的每个元素调用函数 func,将该元素作为参数传递
find 在容器中查找匹配值的第一个对象并返回一个迭代器。示例:
iter3 = find(iter1, iter2, value);
在该语句中,iter1 和 iter2 定义了容器中的元素范围(iter1 指向范围中的第一个 元素,iter2 指向范围中最后一个元素之后)。语句在元素范围内搜索 value。如果找到了该值,则函数将返回一个迭代器到包含它的元素,否则返回迭代器 iter2
max_element 返回范围中最大对象的迭代器。示例:
iter3 = max element(iter1, iter2);
在该语句中,iter1 和 iter2 定义了容器中的元素范围(iter1 指向范围中的第一个 元素,iter2 指向范围中最后一个元素之后)。该语句返回范围中包含最大值的元素的迭代器
min_element 返回范围中最小对象的迭代器。示例:
iter3 = min element(iter1, iter2);
在该语句中,iter1 和 iter2 定义了容器中的元素范围(iter1 指向范围中的第一个 元素,iter2 指向范围中最后一个元素之后)。该语句返回范围中包含最小值的元素的迭代器
random_shuffle 随机重排容器中的元素。示例:
random shuffle(iter1, iter2);
在这个语句中,iter1 和 iter2 定义了容器中的元素范围(iter1 指向范围中的第一 个元素,iter2 指向范围中最后一个元素之后)。该语句可随机地重新排列范围中的元素
sort 对某个范围中的元素进行排序。示例:
sort (iter1, iter2);
在这个语句中,iter1 和 iter2 定义了容器中的元素范围(iter1 指向范围中的第一 个元素,iter2 指向范围中最后一个元素之后)。该语句将按升序对范围中的元素进行排序。
注意,STL 算法需要包含 algorithm 头文件才能使用。

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