标准模板库--STL

标准模板库STL

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。

有了STL，不必再写大多的标准数据结构和算法，并且可获得非常高的性能。

2、STL中的基本概念

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

　　　　  ·sort()来对一个vector中的数据进行排序

　　　　  ·find()来搜索一个list中的对象

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。比如：

　　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

3、容器

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：

1)顺序容器

　　vector ，deque ，list

2)关联容器

　　set ，multiset ，map ，multimap

3)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。 

详细解析：

1）顺序容器

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。

A、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）。

B、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)。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）。

C、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。

2）关联容器

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。

3）容器适配器

stack  头文件 <stack>

　　栈。是项的有限序列，并满足序列中被删除、检索和修改的项只能是最近插入序列的项（栈顶的项）。后进先出。

queue  头文件 <queue>

　　队列。插入只可以在尾部进行，删除、检索和修改只允许从头部进行。先进先出。

priority_queue  头文件 <queue>

　　优先级队列。最高优先级元素总是第一个出列。

注：

<1>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

<2>顺序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

4、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

注：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。

<1>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

<2>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

总结：

　　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

STL中的“大”和“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

STL中的“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

　　……

5、算法

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

比如：

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。

vector

可变长的动态数组

必须包含头文件 #include <vector>

支持 随机访问迭代器

　　? 根据下标随机访问某个元素时间为常数

　　? 在尾部添加速度很快

　　? 在中间插入慢

所有STL算法都能对vector操作

vector成员函数

构造函数初始化：

其它常用函数：

　　v.end()  　　　　容器最后一个元素之后元素相应位置对应的迭代器

　　v.begin()  　　　首元素的迭代器

　　v[i]  　　　　　   访问某个元素

　　v.at(i) 　　　　　访问某个元素

　　v.insert(a,b)  　 在位置a处插入一个元素b

定义二维动态数组

　　vector< vector<int> > v(3);

　　//v有3个元素,

　　//每个元素都是vector<int> 容器

list

双向链表 必须包含头文件 ： #include <list>

在任何位置插入/删除都是常数时间

不支持根据下标随机存取元素

具有所有顺序容器都有的成员函数 + 支持8个成员函数:

list容器之sort函数

　　list容器的迭代器不支持完全随机访问

　　　　不能用标准库中sort函数对它进行排序

　　list自己的sort成员函数

　　　　·list<T> classname

　　　　·classname.sort(compare);  //compare函数可以自己定义

　　　　·classname.sort();  //无参数版本, 按<排序

　　list容器只能使用双向迭代器

　　　　不支持大于/小于比较运算符, []运算符和随机移动(即类似 “list的迭代器+2” 的操作)

deque 容器

双向队列 必须包含头文件 ： #include <deque>

　　所有适用于vector的操作都适用于deque

　　deque还有 

　　　　push_front (将元素插入到容器的头部)

　　　　pop_front (删除头部的元素) 操作

函数对象

若一个类重载了运算符 “()”，则该类的对象就成为函数对象

例如：

　　class CMyAverage {  //函数对象类

　　public:

　　double operator() ( int a1, int a2, int a3 ) {

　　return (double)(a1 + a2+a3) / 3;

　　}

　　};

　　CMyAverage average;  //定义函数对象

　　cout << average(3,2,3); // 相当于average.operator()(3,2,3) 

　　·输出 2.66667

STL中的函数对象类模板

　　以下模板可以用来生成函数对象。

　　　　equal_to

　　　　greater

　　　　less

　　　　…….

　　　　头文件： <functional>

greater 函数对象类模板

　　template<class T> 

　　struct greater : public binary_function<T, T, bool> { 

　　bool operator()(const T& x, const T& y) const {

　　return x > y;

　　}

　　};

list 有两个sort成员函数

　　void sort();

　　将list中的元素按 “<” 规定的比较方法升序排列。

　　template <class Compare> 

　　void sort (Compare op); 

　　将list中的元素按 op 规定的比较方法升序排列。即要比较x,y大小时，看 op(x,y)的返回值，为true则认为 x小于y。

在STL中使用自定义的“大”，“小”关系

关联容器和STL中许多算法，都是可以用函数或函数对象自定义比较器的。在自定义了比较器op的情况下，以下三种说法是等价的：

　　1) x小于y

　　2) op(x,y)返回值为true

　　3) y大于x