STL是什么，C++ STL简介（新手必看）

STL 是一个具有工业强度的、高效的 C++ 函数库。据 C++ 世界的“前辈”们介绍，STL 最初诞生于惠普实验室，是由 Alexander Stepanov、Meng Lee 和 David R．Musser 在惠普实验室工作时开发出来的。

经过不断的发展，STL 形成了不同的版本，并得到广泛的应用。如今，它已被纳入 C++ 标准函数库（C++ Standard Library），是 ANSI/ISO C++ 标准中最具创新性的组成部分。

从广义上讲，STL 主要分成三大核心部分：算法（algorithm）、容器（container）和迭代器（iterator）。此外，还有容器适配器（container adaptor）、函数对象（functor）等组件。

几乎 STL 的所有代码都采用模板类和模板函数的方式，与传统的由函数和类库相比，它提供了更好的代码复用机会。

接下来，我们将对STL的三大核心部分做一个简单的了解。

C++ STL容器

在程序中，我们通常使用各种数据结构（例如链表、队列等）来组织和管理数据。常用的数据结构数量有限，并且每个人实现的相同数据结构的代码都十分相似，只是为了适应不同的数据类型变化而在细节上有所不同。

正是因为如此，STL 容器允许重复利用已有的实现，它提供了一些基础数据结构的模板类，例如 list<T>、queue<T> 等。通过设置特定数据类型为模板参数 T，我们可以构造出适用于特定类型的数据结构。这种方式可以简化那些重复而乏味的基础数据结构的构造工作，从而大大提高开发效率。

C++ STL算法

算法是对容器中的数据进行处理的各种方法。与数据结构类似，程序中的算法也具有很大的通用性。不同的人开发的稳定排序算法在本质上是一样的，最多只是在操作不同数据类型的数据上有所差异。没必要重复发明轮子两次。

STL 将编程时常见的一些通用算法收集起来，并通过与迭代器和容器配合使用，使它能够适应不同的数据结构和数据类型。当我们需要使用这些通用算法时，直接使用 STL 提供的版本即可。

例如，直接使用 STL 中的 stable_sort() 函数配合容器就能完成数据的稳定排序，无须我们重新实现一次。这样做不仅提高了代码复用率，也提高了开发效率和质量。

C++ STL迭代器

如果容器用于容纳数据，算法用于处理数据，那么迭代器就像胶水一样将算法和容器紧密结合在一起。

迭代器提供了一种统一的接口，供算法访问各种容器中的数据。这使得算法的实现与容器的具体类型无关。如果没有迭代器，处理数据的算法就很可能与容纳数据的容器搅和在一起。为了处理容器中的数据，我们不得不为每种特定的容器实现专门的算法，这样会导致数据和算法紧密耦合，算法也就丧失了它的通用性，无法适用于其他容器。

STL 中的这三大组成部分，容器负责容纳数据，算法负责处理数据，而迭代器将两者联系起来。正是因为算法、容器和迭代器这三个核心部分相互配合、相互作用，使得 STL 成为一个有机的整体，如下图所示。

图 1 STL的三大核心部分

C++ STL的使用

因为 STL 已经成为 C++ 标准库的一部分，所以在 C++ 代码中可以直接使用 STL，无须额外的操作。STL 中的各个容器和算法根据功能的不同被组织在多个头文件中。要在程序代码中使用 STL，只需包含相应的头文件并使用对应的 std 命名空间即可。

常用的 STL 头文件及其作用如下表所示。

表 1 STL 常用的头文件及其作用
头文件	说明
<queue>	队列容器，按照先进先出的规则排列容器中的数据
<stack>	堆栈容器，按照后进先出的规则排列容器中的数据
<vector>	动态数组容器，也称为向量容器，连续存储容器中的元素，并支持随机访问。同时，可以根据需要动态改变容器的大小。它是 C++中最常用的容器，通常用于保存一些相互之间没有关联的批量数据
<forward_list>	forward_list 是一个基本的单向链表容器。只提供了前向迭代器，只能前向访问数据元素。在执行插入/删除操作后，容器中的其他节点不会受到影响，因而其相关操作的性能较高
<map>	映射容器，由（键，值）数据对组成的集合，这些数据以键值的某种规律排列，可以通过键值对中的键访问对应的值，因而被称为映射容器。其中，map 容器中的键值对是一一对应的关系，而 multimap 容器中一个键可以对应多个值。
<multimap>	作为映射容器，map 和 multimap 由来已久，其底层由红黑树实现，而 unordered_map 和 unordered_multimap 是最新的 C++标准新添加到 STL 的映射容器，其底层由哈希表实现
<unordered_set>	集合容器，其中的数据元素分布在一棵红黑树的各个节点，节点之间以某种规则排序。因为其中的数据都已经排序完成，所以 set 容器的查找操作特别高效。在 set 容器中，不能含有两个相同的元素，而 multi_set 容器允许含有相同元素。其中，unordered_set 和 unordered_multiset 是 C++标准新加入 STL 中的集合容器，其底层由哈希表实现
<algorithm>	它是所有 STL 头文件中最大的一个，也是最常用的一个。它由很多模板函数组成，这些函数相互独立构成 STL 中的通用算法，包括比较、交换、查找、排序等
<functional>	定义了一些类模板，用于创建函数对象
<string>	字符串类，用于处理和操作字符串
<regex>	正则表达式，用于对字符串进行模式匹配和处理
<memory>	其中定义了与内存操作相关的组件，如智能指针等

笔者一直在强调 STL 的优点及其简单易用性，但仅凭言语可能难以让大家真正感受到。接下来，我们将通过一个实际的例子，将 STL 应用到工资程序中，以展示它如何使程序变得更加优雅。

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// ...
#include <vector>  // 为了使用 vector 容器
#include <algorithm>  // 为了使用 count_if() 算法
 
using namespace std;  // 使用 std 命名空间
 
// 使用 STL 改写后的可以统计高工资员工数的 salarySys 类
class SalarySys
{
// ...
public:
    // ...
    int GetHighSalaryrCount()
    {
        int nTotal = 0;
        // 使用 count_if() 算法统计工资大于 1000 元的员工人数
        // 员工数据已经事先保存到 m_vecEmp 容器中
        nTotal = count_if(m_vecEmp.begin(),  // 统计范围开始
                         m_vecEmp.end(),    // 统计范围结束
                         [](Employee* p) -> bool  // 统计规则
                         {
                             return p->GetSalary() > 1000;
                         });
        return nTotal;  // 返回统计结果
    }
// ...
private:
    vector<Employee*> m_vecEmp;  // 使用容器取代数组
};

// ...
#include <vector>  // 为了使用 vector 容器
#include <algorithm>  // 为了使用 count_if() 算法

using namespace std;  // 使用 std 命名空间

// 使用 STL 改写后的可以统计高工资员工数的 salarySys 类
class SalarySys
{
// ...
public:
    // ...
    int GetHighSalaryrCount()
    {
        int nTotal = 0;
        // 使用 count_if() 算法统计工资大于 1000 元的员工人数
        // 员工数据已经事先保存到 m_vecEmp 容器中
        nTotal = count_if(m_vecEmp.begin(),  // 统计范围开始
                         m_vecEmp.end(),    // 统计范围结束
                         [](Employee* p) -> bool  // 统计规则
                         {
                             return p->GetSalary() > 1000;
                         });
        return nTotal;  // 返回统计结果
    }
// ...
private:
    vector<Employee*> m_vecEmp;  // 使用容器取代数组
};

在这段程序中，我们使用了 vector 容器代替数组来组织和管理员工数据，同时使用 count_if() 算法代替 for 循环来统计符合条件（工资大于 1000 元）的员工人数。正是它们的配合使用，使得整个程序变得“优雅”起来。

读者可能会问，STL 的使用确实简单，但其“优雅”之处在哪里？STL 的优势究竟体现在哪些方面？STL 的优势有以下几点：
1) 使用 vector 容器替换数组来管理数据，使内存空间的使用更加合理。数组的一个缺点是其大小固定，必须在定义时指定大小，这可能导致内存资源浪费或空间不足。

相比之下，在“优雅”的工资程序中使用的 vector 容器则很好地弥补了这一缺点，其大小可以根据需要动态调整，避免了内存浪费和容量不足的问题。

2) 使用 count_if() 算法替代 for 循环，提高了开发效率并增强了程序的可维护性。在“粗鲁”的工资程序中，我们使用 for 循环统计工资大于 1000 元的员工人数，这虽然有效，但显得生硬。

使用 STL 中的 count_if() 算法配合 vector 容器，我们可以利用 begin() 和 end() 函数方便地指定统计范围，并通过 Lambda 表达式灵活定义统计规则。

STL 的优势在于容器和算法的紧密配合，它不仅弥补了传统编程方法的固有缺点，提高了开发效率，还由于容器和算法的通用性，使程序更易于维护和扩展。

STL是什么，C++ STL简介（新手必看）

C++ STL容器

C++ STL算法

C++ STL迭代器

C++ STL的使用

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