11-C++模板库（STL)容器、迭代器和算法详解

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C++ 标准模板库（STL，Standard Template Library）是 C++ 标准库的一部分，提供了丰富的通用数据结构和算法。STL 的核心组件包括容器、迭代器和算法。以下是对这些组件的简要介绍：

1. 容器（Containers）

容器是用于存储数据的对象。STL 提供了多种容器，分为以下几类：

顺序容器（Sequence Containers）

• vector：动态数组，支持快速随机访问，尾部插入和删除效率高。

• list：双向链表，支持高效的插入和删除操作，但不支持随机访问。

• deque：双端队列，支持在头部和尾部高效插入和删除，支持随机访问。

关联容器（Associative Containers）

• set：有序集合，元素唯一，基于红黑树实现。

• multiset：允许重复元素的有序集合。

• map：键值对的有序映射，键唯一。

• multimap：允许重复键的有序映射。

无序关联容器（Unordered Associative Containers）

• unordered_set：基于哈希表的无序集合，元素唯一。

• unordered_multiset：允许重复元素的无序集合。

• unordered_map：基于哈希表的无序键值对映射。

• unordered_multimap：允许重复键的无序映射。

容器适配器（Container Adaptors）

• stack：后进先出（LIFO）的栈。

• queue：先进先出（FIFO）的队列。

• priority_queue：优先队列，元素按优先级排序。

2. 迭代器（Iterators）

迭代器是用于遍历容器中元素的对象，类似于指针。它提供了统一的访问容器元素的方式。迭代器分为以下几类：

• 输入迭代器（Input Iterator）：只能读取元素，单向移动。

• 输出迭代器（Output Iterator）：只能写入元素，单向移动。

• 前向迭代器（Forward Iterator）：支持读写，单向移动。

• 双向迭代器（Bidirectional Iterator）：支持双向移动（如 list 的迭代器）。

• 随机访问迭代器（Random Access Iterator）：支持随机访问（如 vector 的迭代器）。

示例：

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

3. 算法（Algorithms）

STL 提供了大量通用算法，用于对容器中的元素进行操作。这些算法通过迭代器与容器解耦，适用于多种容器。

常用算法：

• 排序算法：

  • sort：对范围内的元素进行排序。

  std::vector<int> vec = {5, 3, 1, 4, 2};
  std::sort(vec.begin(), vec.end()); // 排序后：1 2 3 4 5

• 查找算法：

  • find：在范围内查找指定值。

  auto it = std::find(vec.begin(), vec.end(), 3);
  if (it != vec.end()) {
      std::cout << "Found: " << *it << std::endl;
  }

• 复制算法：

  • copy：将范围内的元素复制到目标位置。

  std::vector<int> dest(5);
  std::copy(vec.begin(), vec.end(), dest.begin());

• 其他常用算法：

  • reverse：反转范围内的元素。

  • accumulate：计算范围内元素的累加和。

  • count：统计范围内某个值的出现次数。

  • max_element / min_element：查找范围内的最大值或最小值。

示例：

#include <algorithm>
#include <iostream>
#include <vector>

int main() {
    std::vector<int> vec = {5, 3, 1, 4, 2};
    std::sort(vec.begin(), vec.end()); // 排序
    for (int x : vec) {
        std::cout << x << " "; // 输出：1 2 3 4 5
    }
    return 0;
}

4. STL 的优势

• 泛型编程：STL 基于模板实现，可以处理任意类型的数据。

• 高效性：STL 的容器和算法经过高度优化，性能优异。

• 可扩展性：用户可以通过自定义迭代器和算法扩展 STL 的功能。

5. 示例代码

以下是一个综合示例，展示如何使用容器、迭代器和算法：

#include <iostream>
#include <vector>
#include <algorithm>

int main() {
    // 创建一个 vector 并初始化
    std::vector<int> vec = {5, 3, 1, 4, 2};

    // 使用 sort 算法排序
    std::sort(vec.begin(), vec.end());

    // 使用迭代器遍历并输出
    std::cout << "Sorted vector: ";
    for (auto it = vec.begin(); it != vec.end(); ++it) {
        std::cout << *it << " ";
    }
    std::cout << std::endl;

    // 使用 find 算法查找元素
    auto it = std::find(vec.begin(), vec.end(), 3);
    if (it != vec.end()) {
        std::cout << "Element 3 found at position: " << (it - vec.begin()) << std::endl;
    }

    return 0;
}