C++之STL入门

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STL引言

C++标准模板库（Standard Template Library，简称STL）是C++语言中一个极其重要的组成部分，它为C++程序员提供了一系列高效、灵活且功能强大的数据结构和算法。STL的出现极大地简化了C++编程，让我们能够更加专注于解决问题的核心逻辑，而不是底层数据结构的实现细节。

一、STL的三大核心组件

STL主要由三大核心组件构成：容器（Containers）、迭代器（Iterators）和算法（Algorithms）。这三者相互协作，构成了STL的强大功能体系。

（一）容器（Containers）

容器是STL中用于存储数据的结构，它提供了多种不同类型的容器来满足不同的存储需求。常见的容器包括：

• 序列容器：
  • std::vector：动态数组，支持快速随机访问，但在尾部插入和删除元素时效率较高。例如，std::vector<int> vec; vec.push_back(10); 可以快速地在动态数组尾部添加元素。
  • std::list：双向链表，适合频繁插入和删除元素，但不支持随机访问。例如，std::list<int> lst; lst.push_front(5); 可以在链表头部快速插入元素。
  • std::deque：双端队列，支持在两端快速插入和删除元素，同时也能进行随机访问。例如，std::deque<int> dq; dq.push_back(20); dq.push_front(10); 可以在双端队列的两端进行操作。
• 关联容器：
  • std::set：基于红黑树的有序集合，自动对元素进行排序，且元素唯一。例如，std::set<int> s; s.insert(10); 插入的元素会自动排序并去重。
  • std::map：基于红黑树的有序映射，键值对唯一，自动按键排序。例如，std::map<int, std::string> m; m[1] = "one"; 可以快速地通过键访问对应的值。
  • std::unordered_set 和 std::unordered_map：基于哈希表的无序集合和映射，提供更快的查找速度，但不保证元素的顺序。

（二）迭代器（Iterators）

迭代器是STL中用于遍历容器的工具，它类似于指针，但提供了更通用的接口。迭代器使得我们可以用统一的方式遍历不同类型的容器。例如：

std::vector<int> vec = {1, 2, 3, 4, 5};
for (auto it = vec.begin(); it != vec.end(); ++it) {
    std::cout << *it << " ";
}

迭代器有多种类型，包括输入迭代器、输出迭代器、前向迭代器、双向迭代器和随机访问迭代器，每种迭代器提供了不同级别的操作能力。

（三）算法（Algorithms）

STL提供了大量通用算法，这些算法可以应用于任何满足特定要求的容器。常见的算法包括：

• 排序算法：
  • std::sort：对容器中的元素进行排序。例如，std::sort(vec.begin(), vec.end()); 可以对std::vector中的元素进行升序排序。
  • std::stable_sort：稳定排序算法，保持相等元素的相对顺序。
• 查找算法：
  • std::find：在容器中查找特定元素。例如，auto it = std::find(vec.begin(), vec.end(), 3); 可以查找值为3的元素。
  • std::binary_search：在有序容器中进行二分查找。
• 变换算法：
  • std::transform：对容器中的元素进行变换操作。例如，std::transform(vec.begin(), vec.end(), vec.begin(), [](int x) { return x * x; }); 可以将容器中的每个元素平方。

  

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二、STL的优势

（一）高效性

STL的容器和算法都是经过精心设计和优化的，能够提供高效的性能。例如，std::vector在内存连续存储方面表现出色，std::set和std::map基于红黑树的实现保证了对数级的查找和插入效率。

（二）通用性

STL的算法和容器通过模板机制实现了高度的通用性。这意味着我们可以用相同的算法对不同类型的数据进行操作，大大减少了代码的重复性。

（三）安全性

STL提供了丰富的边界检查和错误处理机制，能够有效避免一些常见的编程错误，如数组越界等。

三.C++范围for以及auto

在C++中，范围for循环（range-based for loop）和auto关键字是C++11标准引入的两个非常有用的特性，它们可以提高代码的可读性和简洁性。

（一）范围for循环

范围for循环是一种更简洁的遍历容器（如数组、向量、列表等）的方式，其基本语法如下：

for (范围声明 : 表达式) {
    // 循环体
}

• 范围声明：用于声明一个变量，该变量在每次迭代中都会被赋予表达式中的下一个元素的值。
• 表达式：通常是一个容器，如数组、std::vector、std::list等。

支持范围 for 的类型

范围 for 循环可以用于： 数组 所有 STL 容器（vector, list, map 等） 初始化列表 任何定义了begin()和end()成员函数或自由函数的类型

示例

假设有一个std::vector<int>，我们想遍历它并打印每个元素：

#include <iostream>
#include <vector>

int main() {
    std::vector<int> vec = {1, 2, 3, 4, 5};

    for (int i : vec) {
        std::cout << i << " ";
    }

    return 0;
}

输出：

1 2 3 4 5

（二）auto关键字

auto关键字用于自动推导变量的类型。在C++11之前，我们通常需要显式地声明变量的类型，这在某些情况下可能会很繁琐，尤其是当类型非常复杂时。auto可以让编译器自动推导出变量的实际类型。

示例

#include <iostream>
#include <vector>

int main() {
    std::vector<int> vec = {1, 2, 3, 4, 5};

    // 使用auto自动推导类型
    for (auto i : vec) {
        std::cout << i << " ";
    }

    return 0;
}

输出：

1 2 3 4 5

在这个例子中，auto自动推导出i的类型为int。

修改容器中的元素

如果你想在范围for循环中修改容器中的元素，可以使用引用。例如：

#include <iostream>
#include <vector>

int main() {
    std::vector<int> vec = {1, 2, 3, 4, 5};

    // 使用引用修改容器中的元素
    for (auto& i : vec) {
        i *= 2;
    }

    for (int i : vec) {
        std::cout << i << " ";
    }

    return 0;
}

输出：

2 4 6 8 10

（三）总结

• 范围for循环：提供了一种简洁的方式来遍历容器，使代码更加易读。
• auto关键字：自动推导变量类型，减少显式类型声明的繁琐，尤其在处理复杂类型时非常有用。