标准模板库STL

8.1 STL概述

1.泛型程序设计

C++ 语言的核心优势之一就是便于软件的重用

C++中有两个方面体现重用：1.面向对象的思想：继承和多态，标准类库  2.泛型程序设计(generic programming) 的思想： 模板机制，以及标准模板库 STL

简单地说就是使用模板的程序设计法。

将一些常用的数据结构（比如链表，数组，二叉树）和算法（比如排序，查找）写成模板，以后则不论数据结构里放的是什么对象，算法针对什么样的对象，则都不必重新实现数据结构，重新编写算法。

标准模板库 (Standard Template Library) 就是一些常用数据结构和算法的模板的集合。

2.STL中的基本的概念

容器：可容纳各种数据类型的通用数据结构,是类模板

迭代器：可用于依次存取容器中元素，类似于指针

算法：用来操作容器中的元素的函数模板。算法本身与他们操作的数据的类型无关，因此他们可以在从简单数组到高度复杂容器的任何数据结构上使用。

int array[100];
该数组就是容器，而 int * 类型的指针变量就可以作为迭代器，sort算法可以作用于该容器上，对其进行排序：
sort(array,array+70); //将前70个元素排序    array和array+70即是迭代器

3.容器概述

可以用于存放各种类型的数据（基本类型的变量，对象等）的数据结构，都是类模版,分为三种：

• 顺序容器

  vector，deque  双向队列，list  双向链表

• 关联容器

  set，multiset，map，multimap

• 容器适配器

  stack，queue，priority_queue

对象被插入容器中时，被插入的是对象的一个复制品。许多算法，比如排序，查找，要求对容器中的元素进行比较，有的容器本身就是排序的，所以，放入容器的对象所属的类，往往还应该重载 == 和 < 运算符。

4.顺序容器简介

容器并非排序的，元素的插入位置同元素的值无关。

有vector,deque,list 三种

vector    头文件<vector>

• 动态数组。元素在内存连续存放。
• 随机存取任何元素都能在常数时间完成。
• 在尾端增删元素具有较佳的性能(大部分情况下是常数时间）。 但是当存储空间不够时，需要开辟新空间，把原来的元素拷过来后再插入，时间复杂度则是O(n)。
• 在头部或中部插入或删除元素时间复杂度是O(n)，因为需要移动元素。

deque 头文件 <deque>

• 双向队列。元素在内存连续存放。
• 随机存取任何元素都能在常数时间完成(但次于vector)。

  次于vector的原因是，它是双向队列，计算元素地址时需要判断是否超出末尾然后减去长度。

• 在两端增删元素具有较佳的性能(大部分情况下是常数时间）。

list 头文件 <list>

• 双向链表。元素在内存不连续存放。
• 在任何位置增删元素都能在常数时间完成。
• 不支持随机存取。

5.关联容器简介

• 元素是排序的
• 插入任何元素，都按相应的排序规则来确定其位置
• 在查找时具有非常好的性能。通常以平衡二叉树方式实现，插入和检索的时间都是 O(log(N))
• set/multiset         头文件 <set>

  set 即集合。set中不允许相同元素，multiset中允许存在相同的元素。

• map/multimap    头文件 <map>

  map 与 set 的不同在于map中存放的元素有且仅有两个成员变量，一个名为first,另一个名为second,
  map根据first值对元素进行从小到大排序，并可快速地根据first来检索元素。

  map 同 multimap 的不同在于是否允许相同first值的元素。

6.容器适配器简介

• stack

  栈。后进先出。   头文件 <stack>

• queue

  队列。先进先出。    头文件 <queue>

• priority_queue

  优先级队列。优先级最高的元素总是位于队首。    头文件 <queue>

7.顺序容器和关联容器中都有的成员函数

• begin 返回指向容器中第一个元素的迭代器
• end 返回指向容器中最后一个元素后面的位置的迭代器
• rbegin 返回指向容器中最后一个元素的迭代器
• rend 返回指向容器中第一个元素前面的位置的迭代器
• erase 从容器中删除一个或几个元素
• clear 从容器中删除所有元素

8.顺序容器的常用成员函数

• front :返回容器中第一个元素的引用
• back : 返回容器中最后一个元素的引用
• push_back : 在容器末尾增加新元素
• pop_back : 删除容器末尾的元素
• erase :删除迭代器指向的元素(可能会使该迭代器失效），或删除一个区间，返回被删除元素后面的那个元素的迭代器

9.迭代器

• 用于指向顺序容器和关联容器中的元素
• 迭代器用法和指针类似
• 有const 和非 const两种
• 通过迭代器可以读取它指向的元素
• 通过非const迭代器还能修改其指向的元素

定义一个容器类的迭代器的方法可以是：

容器类名::iterator 变量名;

或：

容器类名::const_iterator 变量名;

访问一个迭代器指向的元素：

* 迭代器变量名

迭代器上可以执行 ++ 操作, 以使其指向容器中的下一个元素。如果迭代器到达了容器中的最后一个元素的后面，此时再使用它，就会出错，类似于使用NULL或未初始化的指针一样。

常用两种迭代器：双向迭代器和随机访问迭代器。

10.双向迭代器

若p和p1都是双向迭代器，则可对p、p1可进行以下操作：

• ++p, p++ 使p指向容器中下一个元素
• --p, p-- 使p指向容器中上一个元素
• * p 取p指向的元素
• p = p1 赋值
• p == p1 , p!= p1 判断是否相等、不等

11.随机访问迭代器

若p和p1都是随机访问迭代器，则可对p、p1可进行以下操作：

• 双向迭代器的所有操作
• p += i 将p向后移动i个元素
• p -= i 将p向向前移动i个元素
• p + i 值为: 指向 p 后面的第i个元素的迭代器
• p - i 值为: 指向 p 前面的第i个元素的迭代器
• p[i] 值为: p后面的第i个元素的引用
• p < p1, p <= p1, p > p1, p>= p1

8.2 STL概述续

1.容器上的迭代器

容器                      容器上的迭代器类别

vector                     随机访问

deque                    随机访问

list                           双向

set/multiset            双向

map/multimap      双向

stack                       不支持迭代器

queue                    不支持迭代器

priority_queue     不支持迭代器

有的算法，例如sort，binary_search需要通过随机访问迭代器来访问容器中的元素，那么list以及关联容器就不支持该算法！

list 的迭代器是双向迭代器，
正确的遍历list的方法：
list<int> v;
list<int>::const_iterator ii;
for( ii = v.begin(); ii != v.end ();++ii )
  cout << * ii;       //用的是解引用方式取元素。循环的判断条件是!=
错误的做法：
for( ii = v.begin(); ii < v.end ();ii ++ )
  cout << * ii;
//双向迭代器不支持 <,list没有 [] 成员函数
for(int i = 0;i < v.size() ; i ++)
  cout << v[i]; 

可以看到，list 的迭代器是双向迭代器，不支持 < 操作，没有 [ ] 成员函数。

2.算法简介

• 算法就是一个个函数模板，大多数在<algorithm> 中定义
• STL中提供能在各种容器中通用的算法，比如查找，排序等
• 算法通过迭代器来操纵容器中的元素。许多算法可以对容器中的一个局部区间进行操作，因此需要两个参数，一个是起始元素的迭代器，一个是终止元素的后面一个元素的迭代器。比如，排序和查找
• 有的算法返回一个迭代器。比如 find() 算法，在容器中查找一个元素，并返回一个指向该元素的迭代器
• 算法可以处理容器，也可以处理普通数组

3.算法示例：find()

声明：（不同编译器可能不一样，这里给出 Dev C++ 中的声明）

template<class InIt, class T>
InIt find(InIt first, InIt last, const T& val);

• first 和 last 这两个参数都是容器的迭代器，它们给出了容器中的查找区间起点和终点[first,last)。区间的起点是位于查找范围之中的，而终点不是。find在[first,last)查找等于val的元素
• 用 == 运算符判断相等
• 函数返回值是一个迭代器。如果找到，则该迭代器指向被找到的元素。如果找不到，则该迭代器等于last

#include <vector>
#include <algorithm>
#include <iostream>
using namespace std;
int main() { //find算法示例
  int array[10] = {10,20,30,40};
  vector<int> v;
  v.push_back(1); v.push_back(2);
  v.push_back(3); v.push_back(4);
  vector<int>::iterator p;
  p = find(v.begin(),v.end(),3);
  if( p != v.end())
    cout << * p << endl; //输出3
  p = find(v.begin(),v.end(),9);
  if( p == v.end())
    cout << "not found " << endl;
  p = find(v.begin()+1,v.end()-2,1); //整个容器：[1,2,3,4]， 查找区间：[2,3)
  if( p != v.end())     //没有找到，p则为v.end()-2，指向3
    cout << * p << endl;
  int * pp = find( array,array+4,20);//数组名是迭代器
  cout << * pp << endl;
}
输出：
3
not found
3
20

4.STL中“大”“小” 的概念

• 关联容器内部的元素是从小到大排序的
• 有些算法要求其操作的区间是从小到大排序的，称为“有序区间算法”

  例：binary_search

• 有些算法会对区间进行从小到大排序，称为“排序算法”

  例： sort

• 还有一些其他算法会用到“大”，“小”的概念
• 使用STL时，在缺省的情况下，以下三个说法等价：

  1) x比y小

  2) 表达式“x<y”为真

  3) y比x大

5.STL中“相等”的概念

• 有时，“x和y相等”等价于“x==y为真”

  例：在未排序的区间上进行的算法，如顺序查找find……

• 有时“x和y相等”等价于“x小于y和y小于x同时为假”

  例：有序区间算法，如binary_search，

  关联容器自身的成员函数 find……（关联容器就是用来查找的，自身带有成员函数find，你不能用find算法或其他的binary_search算法去查找关联容器）

6.STL中“相等” 概念演示

#include <iostream>
#include <algorithm>
using namespace std;
class A {
  int v;
  public:
    A(int n):v(n) { }
    bool operator< ( const A & a2) const
    {
      cout << v << "<" << a2.v << "?" << endl;
      return false;
    }
    bool operator ==(const A & a2) const
    {
      cout << v << "==" << a2.v << "?" << endl;
      return v == a2.v;
    }
};
int main()
{
  A a [] = { A(1),A(2),A(3),A(4),A(5) };
  cout << binary_search(a,a+4,A(9)); //折半查找
  return 0;
}
//输出结果：
3<9?
2<9?
1<9?
9<1?
1

这里可以看到，binary_search调用的是 < 操作符，没有使用 == 操作符。这样在查找中的相当概念即是“x小于y和y小于x同时为假”