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C++: STL容器

前言

  • STL容器官方文档

  • 容器是C++ Standard Template Library(STL)内的一部分。

  • 容器可以划分为

    • 序列式容器: 强调值的排序，每个元素均有固定位置。底层是线性序列的数据结构，里面存储的是元素本身。包括:
      • array
      • vector
      • deque
      • forward_list
      • list
    • 关联式容器：底层为树形结构，存储<key, value>结构的键值对,包括:
      • set
      • multiset
      • map
      • multimap
    • 无序关联式容器：底层为hash结构，包括:
      • unordered_set
      • unordered_multiset
      • unordered_map
      • unordered_multimap
    • 容器适配器: 容器适配器不是完整的容器类，而是提供特定接口的类，且这些结构依赖于上述容器类之一的对象来处理元素。包括:
      • stack
      • queue
      • priority_queue

  • STL的产生：为提高代码复用性，提供标准的数据结构和算法

  • 广义上，STL分为

    • 容器(container)
    • 算法(algorithm)
    • 迭代器(iterator)

  • 容器和算法之间通过迭代器进行无缝连接

  • STL几乎所有代码都采用了模板类或模板函数

  • STL六大组件：

    • 容器: 各种数据结构， vector, list, map, set
    • 算法: 各种常用算法，如sort， find
    • 迭代器: 容器和算法之间的胶合剂, 算法通过迭代器访问容器中的数据
    • 仿函数: 行为类似函数，可作为算法的某种策略
    • 适配器: 修饰容器接口
    • 空间配置器：空间的配置和管理

序列式容器

vector

  • vector官方文档

  • 基本用法(定义，赋值，遍历)

    // 构造
vector<int> first;                                // empty vector of ints
vector<int> second (4,100);                       // four ints with value 100
vector<int> third (second.begin(),second.end());  // iterating through second
vector<int> fourth (third);

//赋值
vector<int> vec;
vec.push_back(10);
vec.push_back(20);
vec.push_back(30);
vec.push_back(40);

// 通过迭代器访问容器中的数据
vector<int>::iterator iter_begin = vec.begin(); //起始迭代器，指向容器中第一个元素
vector<int>::iterator iter_end = vec.end(); //结束迭代器，指向容器中最后一个元素的下一个位置

// 第一遍历方式
while (iter_begin != iter_end) {
    cout << *iter_begin << endl;
    iter_begin++;
}

//第二种遍历方式,较常用
for (vector<int>::iterator it=vec.begin(); it != vec.end(); it++) {
    cout << *it << endl;
}

//第三种方式，利用STL中的遍历算法
for_each(vec.begin(), vec.end(), m_print);

//第四种方式， c++ 11以后，可以采用如下便捷方式调用
for (int num : vec) {
    cout << num << endl;
}

//第五种方式
for (int i = 0; i < vec.size(); i++) {
    cout << vec[i] << endl;
}

  • 和数组非常相似，但空间和动态扩展。

  • 动态扩展不是在原有空间扩展，而是找更大的内存空间，将原数据拷贝到新空间中，再释放原空间。

  • 迭代器支持随机访问的迭代器

  • 巧妙利用swap函数可以缩减内存空间,如下：

    vector<int> vec(100000, 0);
cout << vec.capacity() << " " << vec.size() << endl;

vec.resize(3); //resize之后空间被浪费了
cout << vec.capacity() << " " << vec.size() << endl;

vector<int>(3).swap(vec);
cout << vec.capacity() << " " << vec.size() << endl;

  • reserve函数可以减少动态开辟内存的次数

    vector<int> vec;
vec.reserve(100000);

int* p = NULL;
int num = 0;
for (int i = 0; i < 100000; i++) {
    vec.push_back(10);
    if (p != &vec[0]) {
        num += 1;
        p = &vec[0];
    }
}
cout << num << endl;

deque

list

array

forward_list

关联式容器

set

  • set官方文档

  • set 插入元素时，只需插入value即可，但其底层存储的是键值对。

  • set 底层采用红黑树实现

  • set 中的元素不可重复

  • 基本用法:

    #include <iostream>
#include <vector>
#include <set>

using namespace std;

void show(set<int> s) {
    for (int num : s) {
        cout << num << " ";
    }
    cout << endl;
}

int main() {
    set<int> set1;
    // 所有元素插入时会自动排序，不允许插入相同的值
    set1.insert(10);
    set1.insert(30);
    set1.insert(40);
    set1.insert(40);
    set1.insert(20);
    show(set1); // output: 10 20 30 40
    
    // 拷贝构造
    set<int> set2(set1);

    //接口测试
    cout << set2.size() << endl;
    cout << set2.empty() << endl;
    cout << *(set2.find(10)) << endl;
    cout << (set2.find(10) == set2.end()) << endl;
    cout << (set2.find(50) == set2.end()) << endl;

    set2.erase(set2.begin());
    set2.erase(10);
    set2.erase(20);
    show(set2);

    set2.clear();
    show(set2);

    return 0;
}

  • set内的数据默认从小到大排序

  • set内存储自定义对象时，需要指定排序规则

    #include <iostream>
#include <set>
#include <string>

using namespace std;

class Student {
    public:
        string name;
        int age;

        Student(string name_, int age_) : name(name_), age(age_) {  };
};

class StudentCompare {
    public:
        bool operator()(const Student &stu1, const Student &stu2) {
            return (stu1.age < stu2.age); // 按年龄从小到大排序
        }
};

int main () {
    set<Student, StudentCompare> set1;
    set1.insert(Student("xiaoming", 18));
    set1.insert(Student("haha", 19));
    set1.insert(Student("hehe", 12));
    set1.insert(Student("heihei", 14));

    for (auto stu : set1) {
        cout << "name: " << stu.name << "\t" << "age: " << stu.age << endl;
    }

    return 0;
}

multiset

  • multiset官方文档

  • multiset 可以插入重复的数据

  • 默认元素从小达到排列

  • 基本使用方法和set相同:

    #include <iostream>
#include <vector>
#include <set>

using namespace std;

void show(multiset<int> s) {
    for (int num : s) {
        cout << num << " ";
    }
    cout << endl;
}

int main() {
    multiset<int> set1;
    // 所有元素插入时会自动排序，不允许插入相同的值
    set1.insert(10);
    set1.insert(30);
    set1.insert(40);
    set1.insert(40);
    set1.insert(20);
    show(set1); // output: 10 20 30 40 40
    
    // 拷贝构造
    multiset<int> set2(set1);

    //接口测试
    cout << set2.size() << endl; //5
    cout << set2.empty() << endl; // 0
    cout << *(set2.find(10)) << endl; // 10
    cout << (set2.find(10) == set2.end()) << endl; // 0
    cout << (set2.find(50) == set2.end()) << endl; // 1 
    cout << set2.count(40) << endl; // 2

    set2.erase(set2.begin());
    set2.erase(10);
    set2.erase(20);
    show(set2); // 30 40 40

    set2.clear();
    show(set2); //空

    return 0;
}

map

  • map 中所有元素都是pair, 其中第一个元素为key, 第二个元素为value。

  • 元素按照key值自动排序

  • 底层实现为二叉树

  • 优点: 根据key值快速找到value值

  • 不允许容器中有重复的key值

对组: pair<type, type> p(value1, value2);
功能: 表示成对出现的数据
定义中pair为结构体
基本使用方法：

pair<string, int> p("xiaoming", 2);
cout << p.first << " " << p.second << endl;

pair<string, int> p2 = make_pair("xiaoli", 18);
cout << p2.first << " " << p2.second << endl;

  • map 的基本使用方式:

    #include <iostream>
#include <vector>
#include <set>
#include <map>

using namespace std;

void show(map<string, int> s) {
    for (auto num : s) {
        cout << num.first << ": " << num.second << endl;;
    }
    cout << endl;
}

int main() {
    map<string, int> map1;
    map1.insert(pair<string, int>("xiaoming", 18)); //插入一个匿名pair
    map1.insert(pair<string, int>("xiaoli", 10));
    map1.insert(pair<string, int>("xiaohua", 100));
    map1.insert(pair<string, int>("zhaoyun", 19));
    map1.insert(pair<string, int>("haha", 19));
    show(map1); //可以发现按照key从小到大排列

    //拷贝构造
    map<string, int> map2(map1);
    show(map2);

    //赋值
    map<string, int> map3;
    map3 = map2;
    show(map3);

    //接口测试
    cout << map3.size() << endl; // 5
    cout << (map3.find("xiaoming"))->second << endl;  //18
    cout << (map3.find("xiaoming") != map3.end()) << endl; // 1
    cout << (map3.count("xiaoming")) << endl; // 1

    map3.erase(map3.begin());
    map3.erase("xiaoming");
    show(map3);

    map3.clear();
    show(map3);

    return 0;
}

  • 利用仿函数改变排序规则

    #include <iostream>
#include <vector>
#include <set>
#include <map>

using namespace std;

class MapCompare {
    public:
        bool operator()(string s1, string s2) {
            return s1 > s2;
        }
};

void show(map<string, int, MapCompare> s) {
    for (auto num : s) {
        cout << num.first << ": " << num.second << endl;;
    }
    cout << endl;
}

int main() {
    map<string, int, MapCompare> map1;
    map1.insert(pair<string, int>("xiaoming", 18));
    map1.insert(pair<string, int>("xiaoli", 10));
    map1.insert(pair<string, int>("xiaohua", 100));
    map1.insert(pair<string, int>("zhaoyun", 19));
    map1.insert(pair<string, int>("haha", 19));
    show(map1);

    return 0;
}

multimap

  • multimap可以存储相同key值的元素

  • 其余基本和map相同

    #include <iostream>
#include <vector>
#include <set>
#include <map>

using namespace std;

void show(multimap<string, int> s) {
    for (auto num : s) {
        cout << num.first << ": " << num.second << endl;;
    }
    cout << endl;
}

int main() {
    multimap<string, int> map1;
    map1.insert(pair<string, int>("xiaoming", 18));
    map1.insert(pair<string, int>("xiaoming", 18));
    map1.insert(pair<string, int>("xiaoming", 19));
    map1.insert(pair<string, int>("xiaoming", 20));
    map1.insert(pair<string, int>("xiaoming", 21));
    map1.insert(pair<string, int>("xiaoli", 10));

    show(map1);
    cout << (map1.count("xiaoming")) << endl; // 5

    return 0;
}

无序关联式容器

unordered_set

unordered_multiset

unordered_map

unordered_multimap

容器适配器

stack

quque

priority_queue

参考资料

悦读

道可道，非常道；名可名，非常名。 无名，天地之始，有名，万物之母。 故常无欲，以观其妙，常有欲，以观其徼。 此两者，同出而异名，同谓之玄，玄之又玄，众妙之门。

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