C++语言学习之STL 的组成

• 2020 年 11 月 6 日
• 笔记
• C++, 程序员, 编程语言

STL有三大核心部分：容器（Container）、算法（Algorithms）、迭代器（Iterator），容器适配器（container adaptor），函数对象(functor)，除此之外还有STL其他标准组件。通俗的讲：
容器：装东西的东西，装水的杯子，装咸水的大海，装人的教室……STL里的容器是可容纳一些数据的模板类。
算法：就是往杯子里倒水，往大海里排污，从教室里撵人……STL里的算法，就是处理容器里面数据的方法、操作。
迭代器：往杯子里倒水的水壶，排污的管道，撵人的那个物业管理人员……STL里的迭代器：遍历容器中数据的对象。对存储于容器中的数据进行处理时，迭代器能从一个成员移向另一个成员。他能按预先定义的顺序在某些容器中的成员间移动。对普通的一维数组、向量、双端队列和列表来说，迭代器是一种指针。
下面让我们来看看专家是怎么说的：
容器（container）：容器是数据在内存中组织的方法，例如，数组、堆栈、队列、链表或二叉树（不过这些都不是STL标准容器）。STL中的容器是一种存储T（Template）类型值的有限集合的数据结构,容器的内部实现一般是类。这些值可以是对象本身，如果数据类型T代表的是Class的话。
算法（algorithm）：算法是应用在容器上以各种方法处理其内容的行为或功能。例如，有对容器内容排序、复制、检索和合并的算法。在STL中，算法是由模板函数表现的。这些函数不是容器类的成员函数。相反，它们是独立的函数。令人吃惊的特点之一就是其算法如此通用。不仅可以将其用于STL容器，而且可以用于普通的C＋＋数组或任何其他应用程序指定的容器。
迭代器(iterator)：一旦选定一种容器类型和数据行为(算法)，那么剩下唯一要他做的就是用迭代器使其相互作用。可以把达代器看作一个指向容器中元素的普通指针。可以如递增一个指针那样递增迭代器，使其依次指向容器中每一个后继的元素。迭代器是STL的一个关键部分，因为它将算法和容器连在一起。
下面我将依次介绍STL的这三个主要组件。
1.       容器
STL中的容器有队列容器和关联容器，容器适配器（congtainer adapters：stack,queue，priority queue），位集（bit_set），串包(string_package)等等。
　　在本文中，我将介绍list,vector，deque等队列容器，和set和multisets,map和multimaps等关联容器，一共7种基本容器类。
　　队列容器（顺序容器）：队列容器按照线性排列来存储T类型值的集合，队列的每个成员都有自己的特有的位置。顺序容器有向量类型、双端队列类型、列表类型三种。
u     基本容器——向量
向量（vector容器类）：＃include ，vector是一种动态数组，是基本数组的类模板。其内部定义了很多基本操作。既然这是一个类，那么它就会有自己的构造函数。vector 类中定义了4中种构造函数：
·  默认构造函数，构造一个初始长度为0的空向量，如：vector v1;
·  带有单个整形参数的构造函数，此参数描述了向量的初始大小。这个构造函数还有一个可选的参数，这是一个类型为T的实例，描述了各个向量种各成员的初始值；如：vector v2(n,0); 如果预先定义了：n,他的成员值都被初始化为0；
·  复制构造函数，构造一个新的向量，作为已存在的向量的完全复制，如：vector v3(v2);
·  带两个常量参数的构造函数，产生初始值为一个区间的向量。区间由一个半开区间[first,last) 来指定。如：vector v4(first,last）
下面一个例子用的是第四种构造方法，其它的方法读者可以自己试试。

为了帮助理解向量的概念，这里写了一个小例子，其中用到了vector的成员函数：begin()，end()，push_back()，assign()，front()，back()，erase()，empty()，at()，size()。


push_back()是将数据放入vector（向量）或deque（双端队列）的标准函数。Insert()是一个与之类似的函数，然而它在所有容器中都可以使用，但是用法更加复杂。end()实际上是取末尾加一，以便让循环正确运行–它返回的指针指向最靠近数组界限的数据。
在Java里面也有向量的概念。Java中的向量是对象的集合。其中，各元素可以不必同类型，元素可以增加和删除，不能直接加入原始数据类型。
 
u     双端队列（qeque容器类）：
deque（读音：deck，意即：double queue，#include）容器类与vector类似，支持随机访问和快速插入删除，它在容器中某一位置上的操作所花费的是线性时间。与vector不同的是，deque还支持从开始端插入数据：push_front()。此外deque也不支持与vector的capacity()、reserve()类似的操作。


上面我们演示了deque如何进行插入删除等操作，像erase(),assign()是大多数容器都有的操作。关于deque的其他操作请参阅其他书籍。
u     表（List容器类）
　List（#include）又叫链表，是一种双线性列表，只能顺序访问（从前向后或者从后向前），图2是list的数据组织形式。与前面两种容器类有一个明显的区别就是：它不支持随机访问。要访问表中某个下标处的项需要从表头或表尾处（接近该下标的一端）开始循环。而且缺少下标预算符：operator[]。

　同时，list仍然包涵了erase(),begin(),end(),insert(),push_back(),push_front()这些基本函数，下面我们来演示一下list的其他函数功能。merge()：合并两个排序列表；splice()：拼接两个列表；sort()：列表的排序。

上面并没有演示splice()函数的用法，这是一个拗口的函数。用起来有点麻烦。图3所示是splice函数的功能。将一个列表插入到另一个列表当中。list容器类定义了splice()函数的3个版本：
splice(position,list_value);
splice(position,list_value,ptr);
splice(position,list_value,first,last);
list_value是一个已存在的列表，它将被插入到源列表中，position是一个迭代参数，他当前指向的是要进行拼接的列表中的特定位置。

listn1:123,0,34,1123   listn2:12,100
执行listn1.splice(find(listn1.begin(),listn1.end(),0),listn2);之后，listn1将变为：123，12，100，34，1123。即把listn2插入到listn1的0这个元素之前。其中，find()函数找到0这个元素在listn1中的位置。值得注意的是，在执行splice之后，list_value将不复存在了。这个例子中是listn2将不再存在。
　　第二个版本当中的ptr是一个迭代器参数，执行的结果是把ptr所指向的值直接插入到position当前指向的位置之前.这将只向源列表中插入一个元素。
　　第三个版本的first和last也是迭代器参数，并不等于list_value.begin(),list_value.end()。First指的是要插入的列的第一个元素，last指的是要插入的列的最后一个元素。
如果listn1:123,0,34,1123 listn2:12,43，87，100 执行完以下函数之后
listn1.splice(find(listn1.begin(),listn1.end(),0),++listn2.begin(),–listn2.end());
listn1:123,43,87,0,34,1123  listn2:12,100
以上，我们学习了vector,deque,list三种基本顺序容器，其他的顺序容器还有：slist,bit_vector等等。
u     集和多集（set 和multiset 容器类）：
一个集合（#include）是一个容器，它其中所包含的元素的值是唯一的。这在收集一个数据的具体值的时候是有用的。集合中的元素按一定的顺序排列，并被作为集合中的实例。如果你需要一个键/值对（pair）来存储数据，map（也是一个关联容器，后面将马上要讲到）是一个更好的选择。一个集合通过一个链表来组织，在插入操作和删除操作上比向量（vector）快，但查找或添加末尾的元素时会有些慢。
在集中，所有的成员都是排列好的。如果先后往一个集中插入：12，2，3，123，5，65 　　则输出该集时为：2，3，5，12，65，123
集和多集的区别是：set支持唯一键值，set中的值都是特定的，而且只出现一次；而multiset中可以出现副本键，同一值可以出现多次。
Set和multiset的模板参数：
template<class key, class compare, class Allocator=allocator>
第一个参数key是所存储的键的类型，第二个参数是为排序值而定义的比较函数的类型，第三个参数是被实现的存储分配符的类型。在有些编译器的具体实现中，第三个参数可以省略。第二个参数使用了合适形式的迭代器为键定义了特定的关系操作符，并用来在容器中遍历值时建立顺序。集的迭代器是双向，同时也是常量的，所以迭代器在使用的时候不能修改元素的值。
Set定义了三个构造函数：
默认构造函数：
explicit set(const Compare&=compare());
如：set<int,less > set1;
less是一个标准类，用于形成降序排列函数对象。升序排列是用greater。通过指定某一预先定义的区间来初始化set对象的构造函数：
template set(InputIterator, InputIterator,/ const Compare&=compare());
如：set<int ,less >set2(vector1.begin(),vector1.end());
复制构造函数：
set（const set<Key,Compare&>）;
如：set<int ,less >set3(set2);
下面我们来看一个简单的集和多集的插入例程：

u     映射和多重映射（map 和multimap）
映射和多重映射(#include

include

include

using namespace std;
 
int main()
{
    map<char,int,less > map1;
    map<char,int,less >::iterator mapIter;
    //char 是键的类型，int是值的类型
    //下面是初始化，与数组类似
    //也可以用map1.insert(map<char,int,less >::value_type(”c”,3));
    map1[‘c’]=3;
    map1[‘d’]=4;
    map1[‘a’]=1;
    map1[‘b’]=2;
    for(mapIter=map1.begin();mapIter!=map1.end();++mapIter)
        cout<<” “<<(mapIter).first<<“: “<<(mapIter).second;
    //first对应定义中的char键，second对应定义中的int值  
    //检索对应于d键的值是这样做的：
    map<char,int,less >::const_iterator ptr;
    ptr=map1.find(‘d’);
    cout<<‘/n'<<” “<<(ptr).first<<” 键对应于值：”<<(ptr).second;
    return 0;
}
　　从以上例程中，我们可以看到map对象的行为和一般数组的行为类似。Map允许两个或多个值使用比较操作符。下面我们再看看multimap:

在map中是不允许一个键对应多个值的，在multimap中，不支持operator[],也就是说不支持map中允许的下标操作。
2.       算法（algorithm）：

inlcude

STL中算法的大部分都不作为某些特定容器类的成员函数，他们是泛型的，每个算法都有处理大量不同容器类中数据的使用。值得注意的是，STL中的算法大多有多种版本，用户可以依照具体的情况选择合适版本。中在STL的泛型算法中有4类基本的算法：
变序型队列算法：可以改变容器内的数据；
非变序型队列算法：处理容器内的数据而不改变他们；
排序值算法：包涵对容器中的值进行排序和合并的算法，还有二叉搜索算法、通用数值算法。（注：STL的算法并不只是针对STL容器，对一般容器也是适用的。）
变序型队列算法：又叫可修改的序列算法。这类算法有复制（copy）算法、交换（swap）算法、替代（replace）算法、删除（clear）算法，移动（remove）算法、翻转（reverse）算法等等。这些算法可以改变容器中的数据（数据值和值在容器中的位置）。
下面介绍2个比较常用的算法reverse()和copy()。

revese()的功能是将一个容器内的数据顺序翻转过来，它的原型是：
template
void reverse(Bidirectional first, Bidirectional last);
将first和last之间的元素翻转过来，上例中你也可以只将arr中的一部分进行翻转：
reverse(arr+3,arr+6); 这也是有效的。First和last需要指定一个操作区间。
Copy()是要将一个容器内的数据复制到另一个容器内，它的原型是：
  Template<class InputIterator ，class OutputIterator>
  OutputIterator copy(InputIterator first, InputIterator last, OutputIterator result);
它把[first,last－1]内的队列成员复制到区间[result,result+(last-first)-1]中。泛型交换算法：
 
Swap()操作的是单值交换，它的原型是：
template
void swap(T& a,T& b);
 
swap_ranges()操作的是两个相等大小区间中的值，它的原型是：
  template<class ForwardIterator1, class ForwardIterator2>
  ForwardIterator2swap_ranges(ForwardIterator1 first1,ForwardIterator1 last1, ForwardIterator1 first2);
交换区间[first1,last1-1]和[first2, first2+(last1-first1)-1]之间的值，并假设这两个区间是不重叠的。
非变序型队列算法，又叫不可修改的序列算法。这一类算法操作不影响其操作的容器的内容，包括搜索队列成员算法，等价性检查算法，计算队列成员个数的算法。我将用下面的例子介绍其中的find(),search(),count()：

find()的原型是：
template<class InputIterator，class EqualityComparable>
InputIterator find(InputIterator first, InputIterator last, const EqualityComparable& value);
其功能是在序列[first,last-1]中查找value值，如果找到，就返回一个指向value在序列中第一次出现的迭代，如果没有找到，就返回一个指向last的迭代（last并不属于序列）。
search()的原型是：
template <class ForwardIterator1, class ForwardIterator2>
ForwardIterator1 search(ForwardIterator1 first1, ForwardIterator1 last1,                        ForwardIterator2 first2, ForwardIterator2 last2);
其功能是在源序列[first1,last1-1]查找目标序列[first2，last2-1]如果查找成功，就返回一个指向源序列中目标序列出现的首位置的迭代。查找失败则返回一个指向last的迭代。
Count()的原型是：
template <class InputIterator, class EqualityComparable>
iterator_traits::difference_type count(InputIterator first,
InputIterator last, const EqualityComparable& value);
其功能是在序列[first,last-1]中查找出等于value的成员，返回等于value得成员的个数。
排序算法（sort algorithm）：这一类算法很多，功能强大同时也相对复杂一些。这些算法依赖的是关系运算。在这里我只介绍其中比较简单的几种排序算法：sort(),merge(),includes()

sort()的原型是：
template
void sort(RandomAccessIterator first, RandomAccessIterator last);
功能是对[first,last-1]区间内的元素进行排序操作。与之类似的操作还有：partial_sort(), stable_sort()，partial_sort_copy()等等。
merge()的原型是：
template <class InputIterator1, class InputIterator2, class OutputIterator>
OutputIterator merge(InputIterator1 first1, InputIterator1 last1,InputIterator2  first2, InputIterator2 st2,OutputIterator result);
将有序区间[first1,last1-1]和[first2,last2-1]合并到[result, result + (last1 – first1) + (last2 – first2)-1]区间内。
Includes()的原型是：
template <class InputIterator1, class InputIterator2>
bool includes(InputIterator1 first1, InputIterator1 last1, InputIterator2 first2, InputIterator2 last2);
其功能是检查有序区间[first2,last2-1]内元素是否都在[first1,last1-1]区间内，返回一个bool值。
通用数值算法（generalized numeric algorithms）：这一类算法还不多，涉及到专业领域中有用的算术操作，独立包涵于头文件中。
　　STL中的算法大都有多种版本，常见的版本有以下4中：
默认版本，假设给出了特定操作符；
一般版本，使用了成员提供的操作符；
复制版本，对原队列的副本进行操作，常带有 _copy 后缀；
谓词版本，只应用于满足给定谓词的队列成员，常带有 _if 后缀；
 
以上我们学习了STL容器和算法的概念，以及一些简单的STL容器和算法。在使用算法处理容器内的数据时，需要从一个数据成员移向另一个数据成员，迭代器恰好实现了这一功能。下面我们来学习STL迭代器 。
3.       迭代器（itertor）：

include

迭代器实际上是一种泛化指针，如果一个迭代器指向了容器中的某一成员，那么迭代器将可以通过自增自减来遍历容器中的所有成员。迭代器是联系容器和算法的媒介，是算法操作容器的接口。在运用算法操作容器的时候，我们常常在不知不觉中已经使用了迭代器。
STL中定义了6种迭代器：
输入迭代器，在容器的连续区间内向前移动，可以读取容器内任意值；
输出迭代器，把值写进它所指向的队列成员中；
前向迭代器，读取队列中的值，并可以向前移动到下一位置（++p,p++）；
双向迭代器，读取队列中的值，并可以向前向后遍历容器；
随机访问迭代器, vector::iterator，list::iterator等都是这种迭代器 ；
流迭代器，可以直接输出、输入流中的值；
实际上，在前面的例子中，我们不停的在用迭代器。下面我们用几个例子来帮助理解这些迭代器的用法。
下面的例子用到了输入输出迭代器：

这里用到了输入迭代器istream_iterator，输出迭代器ostream_iterator。程序完成了将一个文件输出到屏幕的功能，先将文件读入，然后通过输入迭代器把文件内容复制到类型为字符串的向量容器内，最后由输出迭代器输出。Inserter是一个输入迭代器的一个函数(迭代器适配器)，它的使用方法是：
inserter (container ,pos);
container是将要用来存入数据的容器，pos是容器存入数据的开始位置。上例中，是把文件内容存入（copy()）到向量v1中。
4.       STL的其他标准组件
函数对象（functor或者funtion objects）

include

函数对象又称之为仿函数。函数对象将函数封装在一个对象中，使得它可作为参数传递给合适的STL算法，从而使算法的功能得以扩展。可以把它当作函数来使用。用户也可以定义自己的函数对象。下面让我们来定义一个自己的函数对象.

这里的int_max（）就是一个函数对象，struct关键字也可以用class来代替，只不过struct默认情况下是公有访问权限，而class定义的是默认私有访问权限。下面我们来定义一个STL风格的函数对象：

在这里，我们定义了一个函数对象adder()，这也是一个类，它的基类是unary_function函数对象。unary_function是一个空基类，不包涵任何操作或变量。只是一种格式说明，它有两个参数，第一个参数是函数对象的使用数据类型，第二个参数是它的返回类型。基于它所定义的函数对象是一元函数对象。（注：用关键字struct或者class定义的类型实际上都是”类”）
STL内定义了各种函数对象，否定器、约束器、一元谓词、二元谓词都是常用的函数对象。函数对象对于编程来说很重要，因为他如同对象类型的抽象一样作用于操作。
适配器（adapter）
适配器是用来修改其他组件接口的STL组件，是带有一个参数的类模板（这个参数是操作的值的数据类型）。STL定义了3种形式的适配器：容器适配器，迭代器适配器，函数适配器。
容器适配器：包括栈（stack）、队列(queue)、优先(priority_queue)。使用容器适配器，stack就可以被实现为基本容器类型（vector,dequeue,list）的适配。可以把stack看作是某种特殊的vctor、deque或者list容器，只是其操作仍然受到stack本身属性的限制。queue和priority_queue与之类似。容器适配器的接口更为简单，只是受限比一般容器要多；
迭代器适配器：修改为某些基本容器定义的迭代器的接口的一种STL组件。反向迭代器和插入迭代器都属于迭代器适配器，迭代器适配器扩展了迭代器的功能；
函数适配器：通过转换或者修改其他函数对象使其功能得到扩展。这一类适配器有否定器（相当于”非”操作）、帮定器、函数指针适配器。
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