C++語言學習之STL 的組成

• 2020 年 11 月 6 日
• 筆記
• C++, 程式設計師, 程式語言

STL有三大核心部分：容器（Container）、演算法（Algorithms）、迭代器（Iterator），容器適配器（container adaptor），函數對象(functor)，除此之外還有STL其他標準組件。通俗的講：
容器：裝東西的東西，裝水的杯子，裝鹹水的大海，裝人的教室……STL里的容器是可容納一些數據的模板類。
演算法：就是往杯子里倒水，往大海里排污，從教室里攆人……STL里的演算法，就是處理容器裡面數據的方法、操作。
迭代器：往杯子里倒水的水壺，排污的管道，攆人的那個物業管理人員……STL里的迭代器：遍歷容器中數據的對象。對存儲於容器中的數據進行處理時，迭代器能從一個成員移向另一個成員。他能按預先定義的順序在某些容器中的成員間移動。對普通的一維數組、向量、雙端隊列和列表來說，迭代器是一種指針。
下面讓我們來看看專家是怎麼說的：
容器（container）：容器是數據在記憶體中組織的方法，例如，數組、堆棧、隊列、鏈表或二叉樹（不過這些都不是STL標準容器）。STL中的容器是一種存儲T（Template）類型值的有限集合的數據結構,容器的內部實現一般是類。這些值可以是對象本身，如果數據類型T代表的是Class的話。
演算法（algorithm）：演算法是應用在容器上以各種方法處理其內容的行為或功能。例如，有對容器內容排序、複製、檢索和合併的演算法。在STL中，演算法是由模板函數表現的。這些函數不是容器類的成員函數。相反，它們是獨立的函數。令人吃驚的特點之一就是其演算法如此通用。不僅可以將其用於STL容器，而且可以用於普通的C＋＋數組或任何其他應用程式指定的容器。
迭代器(iterator)：一旦選定一種容器類型和數據行為(演算法)，那麼剩下唯一要他做的就是用迭代器使其相互作用。可以把達代器看作一個指向容器中元素的普通指針。可以如遞增一個指針那樣遞增迭代器，使其依次指向容器中每一個後繼的元素。迭代器是STL的一個關鍵部分，因為它將演算法和容器連在一起。
下面我將依次介紹STL的這三個主要組件。
1.       容器
STL中的容器有隊列容器和關聯容器，容器適配器（congtainer adapters：stack,queue，priority queue），位集（bit_set），串包(string_package)等等。
　　在本文中，我將介紹list,vector，deque等隊列容器，和set和multisets,map和multimaps等關聯容器，一共7種基本容器類。
　　隊列容器（順序容器）：隊列容器按照線性排列來存儲T類型值的集合，隊列的每個成員都有自己的特有的位置。順序容器有向量類型、雙端隊列類型、列表類型三種。
u     基本容器——向量
向量（vector容器類）：＃include ，vector是一種動態數組，是基本數組的類模板。其內部定義了很多基本操作。既然這是一個類，那麼它就會有自己的構造函數。vector 類中定義了4中種構造函數：
·  默認構造函數，構造一個初始長度為0的空向量，如：vector v1;
·  帶有單個整形參數的構造函數，此參數描述了向量的初始大小。這個構造函數還有一個可選的參數，這是一個類型為T的實例，描述了各個向量種各成員的初始值；如：vector v2(n,0); 如果預先定義了：n,他的成員值都被初始化為0；
·  複製構造函數，構造一個新的向量，作為已存在的向量的完全複製，如：vector v3(v2);
·  帶兩個常量參數的構造函數，產生初始值為一個區間的向量。區間由一個半開區間[first,last) 來指定。如：vector v4(first,last）
下面一個例子用的是第四種構造方法，其它的方法讀者可以自己試試。

為了幫助理解向量的概念，這裡寫了一個小例子，其中用到了vector的成員函數：begin()，end()，push_back()，assign()，front()，back()，erase()，empty()，at()，size()。


push_back()是將數據放入vector（向量）或deque（雙端隊列）的標準函數。Insert()是一個與之類似的函數，然而它在所有容器中都可以使用，但是用法更加複雜。end()實際上是取末尾加一，以便讓循環正確運行–它返回的指針指向最靠近數組界限的數據。
在Java裡面也有向量的概念。Java中的向量是對象的集合。其中，各元素可以不必同類型，元素可以增加和刪除，不能直接加入原始數據類型。
 
u     雙端隊列（qeque容器類）：
deque（讀音：deck，意即：double queue，#include）容器類與vector類似，支援隨機訪問和快速插入刪除，它在容器中某一位置上的操作所花費的是線性時間。與vector不同的是，deque還支援從開始端插入數據：push_front()。此外deque也不支援與vector的capacity()、reserve()類似的操作。


上面我們演示了deque如何進行插入刪除等操作，像erase(),assign()是大多數容器都有的操作。關於deque的其他操作請參閱其他書籍。
u     表（List容器類）
　List（#include）又叫鏈表，是一種雙線性列表，只能順序訪問（從前向後或者從後向前），圖2是list的數據組織形式。與前面兩種容器類有一個明顯的區別就是：它不支援隨機訪問。要訪問表中某個下標處的項需要從表頭或表尾處（接近該下標的一端）開始循環。而且缺少下標預算符：operator[]。

　同時，list仍然包涵了erase(),begin(),end(),insert(),push_back(),push_front()這些基本函數，下面我們來演示一下list的其他函數功能。merge()：合併兩個排序列表；splice()：拼接兩個列表；sort()：列表的排序。

上面並沒有演示splice()函數的用法，這是一個拗口的函數。用起來有點麻煩。圖3所示是splice函數的功能。將一個列表插入到另一個列表當中。list容器類定義了splice()函數的3個版本：
splice(position,list_value);
splice(position,list_value,ptr);
splice(position,list_value,first,last);
list_value是一個已存在的列表，它將被插入到源列表中，position是一個迭代參數，他當前指向的是要進行拼接的列表中的特定位置。

listn1:123,0,34,1123   listn2:12,100
執行listn1.splice(find(listn1.begin(),listn1.end(),0),listn2);之後，listn1將變為：123，12，100，34，1123。即把listn2插入到listn1的0這個元素之前。其中，find()函數找到0這個元素在listn1中的位置。值得注意的是，在執行splice之後，list_value將不復存在了。這個例子中是listn2將不再存在。
　　第二個版本當中的ptr是一個迭代器參數，執行的結果是把ptr所指向的值直接插入到position當前指向的位置之前.這將只向源列表中插入一個元素。
　　第三個版本的first和last也是迭代器參數，並不等於list_value.begin(),list_value.end()。First指的是要插入的列的第一個元素，last指的是要插入的列的最後一個元素。
如果listn1:123,0,34,1123 listn2:12,43，87，100 執行完以下函數之後
listn1.splice(find(listn1.begin(),listn1.end(),0),++listn2.begin(),–listn2.end());
listn1:123,43,87,0,34,1123  listn2:12,100
以上，我們學習了vector,deque,list三種基本順序容器，其他的順序容器還有：slist,bit_vector等等。
u     集和多集（set 和multiset 容器類）：
一個集合（#include）是一個容器，它其中所包含的元素的值是唯一的。這在收集一個數據的具體值的時候是有用的。集合中的元素按一定的順序排列，並被作為集合中的實例。如果你需要一個鍵/值對（pair）來存儲數據，map（也是一個關聯容器，後面將馬上要講到）是一個更好的選擇。一個集合通過一個鏈表來組織，在插入操作和刪除操作上比向量（vector）快，但查找或添加末尾的元素時會有些慢。
在集中，所有的成員都是排列好的。如果先後往一個集中插入：12，2，3，123，5，65 　　則輸出該集時為：2，3，5，12，65，123
集和多集的區別是：set支援唯一鍵值，set中的值都是特定的，而且只出現一次；而multiset中可以出現副本鍵，同一值可以出現多次。
Set和multiset的模板參數：
template<class key, class compare, class Allocator=allocator>
第一個參數key是所存儲的鍵的類型，第二個參數是為排序值而定義的比較函數的類型，第三個參數是被實現的存儲分配符的類型。在有些編譯器的具體實現中，第三個參數可以省略。第二個參數使用了合適形式的迭代器為鍵定義了特定的關係操作符，並用來在容器中遍歷值時建立順序。集的迭代器是雙向，同時也是常量的，所以迭代器在使用的時候不能修改元素的值。
Set定義了三個構造函數：
默認構造函數：
explicit set(const Compare&=compare());
如：set<int,less > set1;
less是一個標準類，用於形成降序排列函數對象。升序排列是用greater。通過指定某一預先定義的區間來初始化set對象的構造函數：
template set(InputIterator, InputIterator,/ const Compare&=compare());
如：set<int ,less >set2(vector1.begin(),vector1.end());
複製構造函數：
set（const set<Key,Compare&>）;
如：set<int ,less >set3(set2);
下面我們來看一個簡單的集和多集的插入常式：

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 是鍵的類型，int是值的類型
    //下面是初始化，與數組類似
    //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對應定義中的char鍵，second對應定義中的int值  
    //檢索對應於d鍵的值是這樣做的：
    map<char,int,less >::const_iterator ptr;
    ptr=map1.find(‘d’);
    cout<<‘/n'<<” “<<(ptr).first<<” 鍵對應於值：”<<(ptr).second;
    return 0;
}
　　從以上常式中，我們可以看到map對象的行為和一般數組的行為類似。Map允許兩個或多個值使用比較操作符。下面我們再看看multimap:

在map中是不允許一個鍵對應多個值的，在multimap中，不支援operator[],也就是說不支援map中允許的下標操作。
2.       演算法（algorithm）：

inlcude

STL中演算法的大部分都不作為某些特定容器類的成員函數，他們是泛型的，每個演算法都有處理大量不同容器類中數據的使用。值得注意的是，STL中的演算法大多有多種版本，用戶可以依照具體的情況選擇合適版本。中在STL的泛型演算法中有4類基本的演算法：
變序型隊列演算法：可以改變容器內的數據；
非變序型隊列演算法：處理容器內的數據而不改變他們；
排序值演算法：包涵對容器中的值進行排序和合併的演算法，還有二叉搜索演算法、通用數值演算法。（註：STL的演算法並不只是針對STL容器，對一般容器也是適用的。）
變序型隊列演算法：又叫可修改的序列演算法。這類演算法有複製（copy）演算法、交換（swap）演算法、替代（replace）演算法、刪除（clear）演算法，移動（remove）演算法、翻轉（reverse）演算法等等。這些演算法可以改變容器中的數據（數據值和值在容器中的位置）。
下面介紹2個比較常用的演算法reverse()和copy()。

revese()的功能是將一個容器內的數據順序翻轉過來，它的原型是：
template
void reverse(Bidirectional first, Bidirectional last);
將first和last之間的元素翻轉過來，上例中你也可以只將arr中的一部分進行翻轉：
reverse(arr+3,arr+6); 這也是有效的。First和last需要指定一個操作區間。
Copy()是要將一個容器內的數據複製到另一個容器內，它的原型是：
  Template<class InputIterator ，class OutputIterator>
  OutputIterator copy(InputIterator first, InputIterator last, OutputIterator result);
它把[first,last－1]內的隊列成員複製到區間[result,result+(last-first)-1]中。泛型交換演算法：
 
Swap()操作的是單值交換，它的原型是：
template
void swap(T& a,T& b);
 
swap_ranges()操作的是兩個相等大小區間中的值，它的原型是：
  template<class ForwardIterator1, class ForwardIterator2>
  ForwardIterator2swap_ranges(ForwardIterator1 first1,ForwardIterator1 last1, ForwardIterator1 first2);
交換區間[first1,last1-1]和[first2, first2+(last1-first1)-1]之間的值，並假設這兩個區間是不重疊的。
非變序型隊列演算法，又叫不可修改的序列演算法。這一類演算法操作不影響其操作的容器的內容，包括搜索隊列成員演算法，等價性檢查演算法，計算隊列成員個數的演算法。我將用下面的例子介紹其中的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，就返回一個指向value在序列中第一次出現的迭代，如果沒有找到，就返回一個指向last的迭代（last並不屬於序列）。
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]查找目標序列[first2，last2-1]如果查找成功，就返回一個指向源序列中目標序列出現的首位置的迭代。查找失敗則返回一個指向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]中查找出等於value的成員，返回等於value得成員的個數。
排序演算法（sort algorithm）：這一類演算法很多，功能強大同時也相對複雜一些。這些演算法依賴的是關係運算。在這裡我只介紹其中比較簡單的幾種排序演算法：sort(),merge(),includes()

sort()的原型是：
template
void sort(RandomAccessIterator first, RandomAccessIterator last);
功能是對[first,last-1]區間內的元素進行排序操作。與之類似的操作還有：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);
將有序區間[first1,last1-1]和[first2,last2-1]合併到[result, result + (last1 – first1) + (last2 – first2)-1]區間內。
Includes()的原型是：
template <class InputIterator1, class InputIterator2>
bool includes(InputIterator1 first1, InputIterator1 last1, InputIterator2 first2, InputIterator2 last2);
其功能是檢查有序區間[first2,last2-1]內元素是否都在[first1,last1-1]區間內，返回一個bool值。
通用數值演算法（generalized numeric algorithms）：這一類演算法還不多，涉及到專業領域中有用的算術操作，獨立包涵於頭文件中。
　　STL中的演算法大都有多種版本，常見的版本有以下4中：
默認版本，假設給出了特定操作符；
一般版本，使用了成員提供的操作符；
複製版本，對原隊列的副本進行操作，常帶有 _copy 後綴；
謂詞版本，只應用於滿足給定謂詞的隊列成員，常帶有 _if 後綴；
 
以上我們學習了STL容器和演算法的概念，以及一些簡單的STL容器和演算法。在使用演算法處理容器內的數據時，需要從一個數據成員移向另一個數據成員，迭代器恰好實現了這一功能。下面我們來學習STL迭代器 。
3.       迭代器（itertor）：

include

迭代器實際上是一種泛化指針，如果一個迭代器指向了容器中的某一成員，那麼迭代器將可以通過自增自減來遍歷容器中的所有成員。迭代器是聯繫容器和演算法的媒介，是演算法操作容器的介面。在運用演算法操作容器的時候，我們常常在不知不覺中已經使用了迭代器。
STL中定義了6種迭代器：
輸入迭代器，在容器的連續區間內向前移動，可以讀取容器內任意值；
輸出迭代器，把值寫進它所指向的隊列成員中；
前向迭代器，讀取隊列中的值，並可以向前移動到下一位置（++p,p++）；
雙向迭代器，讀取隊列中的值，並可以向前向後遍歷容器；
隨機訪問迭代器, vector::iterator，list::iterator等都是這種迭代器 ；
流迭代器，可以直接輸出、輸入流中的值；
實際上，在前面的例子中，我們不停的在用迭代器。下面我們用幾個例子來幫助理解這些迭代器的用法。
下面的例子用到了輸入輸出迭代器：

這裡用到了輸入迭代器istream_iterator，輸出迭代器ostream_iterator。程式完成了將一個文件輸出到螢幕的功能，先將文件讀入，然後通過輸入迭代器把文件內容複製到類型為字元串的向量容器內，最後由輸出迭代器輸出。Inserter是一個輸入迭代器的一個函數(迭代器適配器)，它的使用方法是：
inserter (container ,pos);
container是將要用來存入數據的容器，pos是容器存入數據的開始位置。上例中，是把文件內容存入（copy()）到向量v1中。
4.       STL的其他標準組件
函數對象（functor或者funtion objects）

include

函數對象又稱之為仿函數。函數對象將函數封裝在一個對象中，使得它可作為參數傳遞給合適的STL演算法，從而使演算法的功能得以擴展。可以把它當作函數來使用。用戶也可以定義自己的函數對象。下面讓我們來定義一個自己的函數對象.

這裡的int_max（）就是一個函數對象，struct關鍵字也可以用class來代替，只不過struct默認情況下是公有訪問許可權，而class定義的是默認私有訪問許可權。下面我們來定義一個STL風格的函數對象：

在這裡，我們定義了一個函數對象adder()，這也是一個類，它的基類是unary_function函數對象。unary_function是一個空基類，不包涵任何操作或變數。只是一種格式說明，它有兩個參數，第一個參數是函數對象的使用數據類型，第二個參數是它的返回類型。基於它所定義的函數對象是一元函數對象。（註：用關鍵字struct或者class定義的類型實際上都是”類”）
STL內定義了各種函數對象，否定器、約束器、一元謂詞、二元謂詞都是常用的函數對象。函數對象對於編程來說很重要，因為他如同對象類型的抽象一樣作用於操作。
適配器（adapter）
適配器是用來修改其他組件介面的STL組件，是帶有一個參數的類模板（這個參數是操作的值的數據類型）。STL定義了3種形式的適配器：容器適配器，迭代器適配器，函數適配器。
容器適配器：包括棧（stack）、隊列(queue)、優先(priority_queue)。使用容器適配器，stack就可以被實現為基本容器類型（vector,dequeue,list）的適配。可以把stack看作是某種特殊的vctor、deque或者list容器，只是其操作仍然受到stack本身屬性的限制。queue和priority_queue與之類似。容器適配器的介面更為簡單，只是受限比一般容器要多；
迭代器適配器：修改為某些基本容器定義的迭代器的介面的一種STL組件。反向迭代器和插入迭代器都屬於迭代器適配器，迭代器適配器擴展了迭代器的功能；
函數適配器：通過轉換或者修改其他函數對象使其功能得到擴展。這一類適配器有否定器（相當於”非”操作）、幫定器、函數指針適配器。
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