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是容器和迭代器。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。
STL提供了如表 1 所示的 3 个顺序容器。
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。
STL 提供了 4 个关联容器,如表 2 所示。
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。
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。
所以,上面的 2 个示例也可以改写为以下形式:
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:
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。
注意,STL 算法需要包含 algorithm 头文件才能使用。
STL 中最重要的数据结构是容器和迭代器。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:顺序容器和关联容器。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。
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。
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。
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();
auto vIter = vect.begin();
auto listIter = myList.begin();
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);
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。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)。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。 |
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