9.STL标准模板库(上)

STL(Standard Template Library,标准模板库)是惠普实验室开发的一系列软件的统称。现然主要出现在C++中,但在被引入C++之前该技术就已经存在了很长的一段时间。

STL的从广义上讲分为三类:algorithm(算法)container(容器)iterator(迭代器),容器和算法通过迭代器可以进行无缝地连接。几乎所有的代码都采 用了模板类和模板函数的方式,这相比于传统的由函数和类组成的库来说提供了更好的代码重用机会。在C++标准中,STL被组织为下面的13个头文 件:<algorithm>、<deque>、<functional>、<iterator>、<vector>、<list>、<map>、<memory>、<numeric>、<queue>、<set>、<stack> 和<utility>。

容器

经典的数据结构数量有限,但是我们常常重复着一些为了实现向量、链表等结构而编写的代码,这些代码都十分相似,只是为了适应不同数据的变化而在 细节上有所出入。STL容器就为我们提供了这样的方便,它允许我们重复利用已有的实现构造自己的特定类型下的数据结构,通过设置一些模板,STL容器对最常用的数据结构提供了支持,这些模板的参数允许我们指定容器中元素的数据类型,可以将我们许多重复而乏味的工作简化。

容器部分主要由头文 件<vector>,<list>,<deque>,<set>,<map>,<stack> 和<queue>组成。

迭代器

迭代器在STL中用来将算法和容器联系起来,起着一种黏和剂的作用。几乎STL提供的所有算法都是通 过迭代器存取元素序列进行工作的,每一个容器都定义了其本身所专有的迭代器,用以存取容器中的元素。

迭代器部分主要由头文件<utility>,<iterator>和<memory>组 成。

算法

STL提供了大约100个实现算法的模版函数,比如算法for_each将为指定序列中的每一个元素调用指定的函数,stable_sort以 你所指定的规则对序列进行稳定性排序等等。这样一来,只要熟悉了STL之后,许多代码可以被大大的化简,只需要通过调用一两个算法模板,就可以完成所需要 的功能并大大地提升效率。
    算法部分主要由头文件<algorithm>,<numeric>和<functional>组 成。<algorithm>是所有STL头文件中最大的一个(尽管它很好理解),它是由一大堆模版函数组成的,可以认为每个函数在很大程度上 都是独立的,其中常用到的功能范围涉及到比较、交换、查找、遍历操作、复制、修改、移除、反转、排序、合并等等。<numeric>体积很 小,只包括几个在序列上面进行简单数学运算的模板函数,包括加法和乘法在序列上的一些操作。<functional>中则定义了一些模板类, 用以声明函数对象。


 

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迭代器基本原理

  • 迭代器是一个“可遍历STL容器内全部或部分元素”的对象。
  • 迭代器指出容器中的一个特定位置。
  • 迭代器就如同一个指针。
  • 迭代器提供对一个容器中的对象的访问方法,并且可以定义了容器中对象的范围。

输入迭代器:也有叫法称之为“只读迭代器”,它从容器中读取元素,只能一次读入一个元素向前移动,只支持一遍算法,同一个输入迭代器不能两遍遍历一个序列。
输出迭代器:也有叫法称之为“只写迭代器”,它往容器中写入元素,只能一次写入一个元素向前移动,只支持一遍算法,同一个输出迭代器不能两遍遍历一个序列。
正向迭代器:组合输入迭代器和输出迭代器的功能,还可以多次解析一个迭代器指定的位置,可以对一个值进行多次读/写。
双向迭代器:组合正向迭代器的功能,还可以通过--操作符向后移动位置。
随机访问迭代器:组合双向迭代器的功能,还可以向前向后跳过任意个位置,可以直接访问容器中任何位置的元素

双向迭代器与随机访问迭代器

双向迭代器支持的操作:
it++,  ++it,    it--,   --it,*it, itA = itB,
itA == itB,itA != itB
          其中list,set,multiset,map,multimap支持双向迭代器。
随机访问迭代器支持的操作:
在双向迭代器的操作基础上添加 
it+=i, it-=i, it+i(或it=it+i),it[i],
itA<itB,   itA<=itB,  itA>itB,  itA>=itB  的功能。
          其中vector,deque支持随机访问迭代器。

容器介绍

string

string是STL的字符串类型,通常用来表示字符串。而在使用string之前,字符串通常是用char*表示的。string与char*都可以用来表示字符串,那么二者有什么区别呢。
    string和char*的比较

  • string是一个类, char*是一个指向字符的指针。
  • string封装了char*,管理这个字符串,是一个char*型的容器。
  • string不用考虑内存释放和越界。
  • string管理char*所分配的内存。每一次string的复制,取值都由string类负责维护,不用担心复制越界和取值越界等。
  • string提供了一系列的字符串操作函数——查找find,拷贝copy,删除erase,替换replace,插入insert

         

vector

  • vector是将元素置于一个动态数组中加以管理的容器。
  • vector可以随机存取元素(支持索引值直接存取, 用[]操作符或at()方法)。
  • vector尾部添加或移除元素非常快速。但是在中部或头部插入元素或移除元素比较费时

deque

  • deque是“double-ended queue”的缩写,和vector一样都是STL的容器,deque是双端数组,而vector是单端的。
  • deque在接口上和vector非常相似,在许多操作的地方可以直接替换。
  • deque可以随机存取元素(支持索引值直接存取, 用[]操作符或at()方法,这个等下会详讲)。
  • deque头部和尾部添加或移除元素都非常快速。但是在中部安插元素或移除元素比较费时。

stack 

  • stack是堆栈容器,是一种“先进后出”的容器。
  • stack是简单地装饰deque容器而成为另外的一种容器。

queue

  • queue是队列容器,是一种“先进先出”的容器。
  • queue是简单地装饰deque容器而成为另外的一种容器。

list

  • list是一个双向链表容器,可高效地进行插入删除元素。
  • list不可以随机存取元素,所以不支持at.(pos)函数与[]操作符。It++(ok) it+5(err)

set/multiset

  • set是一个集合容器,其中所包含的元素是唯一的,集合中的元素按一定的顺序排列。元素插入过程是按排序规则插入,所以不能指定插入位置。
  • set采用红黑树变体的数据结构实现,红黑树属于平衡二叉树。在插入操作和删除操作上比vector快。
  • set不可以直接存取元素。(不可以使用at.(pos)与[]操作符)。
  • multiset与set的区别:set支持唯一键值,每个元素值只能出现一次;而multiset中同一值可以出现多次。
  • 不可以直接修改set或multiset容器中的元素值,因为该类容器是自动排序的。如果希望修改一个元素值,必须先删除原有的元素,再插入新的元素。

map/multimap

  • map是标准的关联式容器,一个map是一个键值对序列,即(key,value)对。它提供基于key的快速检索能力。
  • map中key值是唯一的。集合中的元素按一定的顺序排列。元素插入过程是按排序规则插入,所以不能指定插入位置。
  • map的具体实现采用红黑树变体的平衡二叉树的数据结构。在插入操作和删除操作上比vector快。
  • map可以直接存取key所对应的value,支持[]操作符,如map[key]=value。
  • multimap与map的区别:map支持唯一键值,每个键只能出现一次;而multimap中相同键可以出现多次。multimap不支持[]操作符


 

容器的共性机制

所有容器提供的都是值(value)语意,而非引用(reference)语意。容器执行插入元素的操作时,内部实施拷贝动作。所以STL容器内存储的元素必须能够被拷贝(必须提供拷贝构造函数)。

  • 除了queue与stack外,每个容器都提供可返回迭代器的函数,运用返回的迭代器就可以访问元素。
  • 通常STL不会丢出异常。要求使用者确保传入正确的参数。
  • 每个容器都提供了一个默认构造函数跟一个默认拷贝构造函数。

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