C++ STL 总结

概述

在使用容器之前，您应该至少了解 C++ 的基础知识，以及数据结构的基础知识（文内就不描述数据结构的内容了）。文内默认 C++ 版本为 C++ 17。

我们来看一下什么叫容器

容器： 储存一系列元素的对象。每一个容器都管理其元素的存储空间并允许开发者通过迭代器和成员函数访问其内部元素。 C++ 的 STL 容器 通常用于实现我们在程序中经常使用到的数据结构，例如

• 栈
• 队列/双端队列
• 链表
• 树
• 关联集合
• 动态数组

在 C++ 与 Java 等静态类型语言中，被储存的对象必须是同一类型。

分类：

• 序列容器：一种各元素之间有顺序关系的线性表，是一种线性结构的可序群集。

  • 顺序性容器中的每个元素均有固定的位置，除非用删除或插入的操作改变这个位置。
  • 顺序容器的元素排列次序与元素值无关，而是由元素添加到容器里的次序决定

• 序列容器适配器

• 关联容器

  • 关联式容器是非线性的树结构，更准确的说是二叉树结构。
  • 各元素之间没有严格的物理上的顺序关系，也就是说元素在容器中并没有保存元素置入容器时的逻辑顺序。
  • 但是关联式容器提供了另一种根据元素特点排序的功能，这样迭代器就能根据元素的特点“顺序地”获取元素。
  • 元素是有序的集合，默认在插入的时候按升序排列（set,multiset,map,multimap）！

• 无序关联容器

序列容器

序列容器用作以线性方式存储同一类型对象的数据结构。

Vector

我们常常称 vector 是动态数组，基于数组实现。其在内存中是一段连续的区域。何谓动态？动态就是说 vector 有自动的内存管理功能。可以动态的改变vector的长度，并随着元素的增加与减小来自动改变数组大小，它提供了直接添加尾部元素或者删除元素的方法！所以它的时间是固定的！然而，他要在头部与中间插入或者删除元素是线性的时间复杂度！

特点：他可以反转序列，所以它可以反向遍历可反转序列！（基于他的rbegin,rend）

定义与初始化:

要调用头文件

  #include<vector>

定义与初始化：

vector<int> v;//默认初始化
vector<int> v(v1);//用v1初始化v
vector<int> v(v1.begin(),v1.end());//用v1初始化v
vector<int> v(10);//定义一个大小为10的数组！
vector<int> v(10,1)//定义个全为1而且长度为10的数组

方法：

a.front(),a.rbegin()  //首元素
a.back(),a.rend()   //末尾元素
v.push_back()      //增
v.insert()   //由于insert重载方法比较多
   1.v.insert(p,t)//将t插到p的前面
   2.v.insert(p,n,t)//将n个t插入p之前
   3.v.insert(p,i.j)//将区间[i,j)的元素插入到p之前
v.pop_back()       //删
v.erase(t,k)
   1.v.erase(t,k)//删除他们之间的元素
   2.v.erase(p)//删除p指向的元素
v.chear===v.erase(begin(),end());

遍历

//下标法
for(int i = 0; i < v.size(); i++) {
  std::cout << v[i];
}

//迭代器法
for(vector<int>::const_iterator iterator = v.begin();
  iterator != v.end();
  iterator++) {
  std::cout << *iterator;
}

// 上述代码在现代 C++ 中可以使用 auto 关键字
//迭代器法
for(auto iterator = v.begin();
  iterator != v.end();
  iterator++) {
  std::cout << *iterator;
}

// 甚至，可以使用范围循环
for(auto it ： v) {
  std::cout << *it;
}

Array

数组 Array 是静态连续数组。他的长度固定，使用没有调节大小的操作，但是他有一些有意义的成员函数，如operator[] 和at(),当然有很多STL算法用于array,如copy(),for_each（）。我们后面会详细介绍一些C++知识点！

/**
 * 导入头文件
 */
#include <array>

deque

双端队列，他的实现类\似与vector,支持随机访问，但是它访问首元素的插入（push_front()）与删除（pop_front()）的时间是固定的！而且他的执行速度要比vector快很多！所以题目中有大量的操作发生在序列的起始位置与结尾处，我们就要考虑用deque!

调用头文件：
 #include<deque>

初始化与定义已经在序列要求里面，而且方法与vector类似，只是多了push_front(), pop_front(),我们就不做过多的阐述

list

双向链表，list在链表中的任意一个位置插入与删除一个元素时间是固定的！但是他不能随机访问，优点是元素的快速插入与删除！从容器中插入与删除元素之后i，迭代器指向元素将不变，不会移动已有元素，只是修改链表信息。

#include<list>

我们来看一下他的链表独有成员函数！

void sort()   //使用<运算符对链表进行排序，时间复杂度O（NlogN）
void merge(list<T,Alloc>&x)  //将x与调用链表合并，要求：两个链表必须要已经排好序！元素将保存在调用链表中，x为空，这个时间复杂度为线性！
void remove(const T &val)//删除val的所有实例
void splice(iterator pos,list<T,Alloc>x)//将链表x的内容加到pos的前面，时间复杂度为固定时间

void unique（） //去重，线性时间

forword_list

参加noip的同学注意了！他是C++11新添加的容器类！它主要实现了单向链表，只需要正向迭代器，他是不可逆转容器，他功能比较少，但是它比较简单！

序列容器适配器

stack

适配器，它可以将任意类型的序列容器转换为一个堆栈，一般使用deque作为支持的序列容器。元素只能后进先出（LIFO）。不能遍历整个stack。他给vector提供了栈接口! 与queue类似，如果要使用栈中元素，先用top检索，然后用pop将他从栈中删除，这个太过于常用不介绍方法！

queuue

他是一个配适器类，ostream_iterator就是一个配适器，让输出流能够使用迭代器接口，同样它实现了队列接口！它不仅不允许随机访问元素，而且还不能遍历队列！元素只能先进先出（FIFO）. 方法：

bool empty()//判断是否为空
front()//队首元素的访问
back()//队尾元素的访问
push(x)//队尾插入x
pop()//删除队首元素

priority_queue

另一个配适器，他与queue基本一样，但是他的最大元素被移动到队首（生活不总是公平对，队列也一样），内部区别在于底层结构不一样，他用的是vector,当然我们可以修改确定拿个元素放在队首的比较方式！

priority_queue<int> X //大根堆,默认初始化

priority_queue<int, vector<int>, greater<int>> x  //小根堆,运用了预定义函数greater<int>！

以下内容摘自C++API：

包含priority_queue 的头文件是 <queue>
priority_queue类的主要成员：
priority_queue();    //默认构造函数，生成一个空的排序队列
priority_queue(const queue&);    //拷贝构造函数
priority_queue& operator=(const priority_queue &);    //赋值运算符重载
priority_queue 的私有成员：
value_type;   //priority_queue中存放的对象类型，它和priority_queue中的T类型相同
priority_queue(const Compare& comp);    //构造生成一个空的priority_queue对象，使用comp作为priority_queue的comparison
priority_queue(const value_type* first, const value_type* last);    //带有两个参数的构造 函数，使用默认的Comparison作为第三个参数
size_type;    //正整数类型，和Sequence::size_type类型一样。
bool empty() const;    //判断优先级队列是否为空，为空返回true，否则返回false
size_type size() const;    //返回优先级队列中的元素个数
const value_type& top() const();    //返回优先级队列中第一个元素的参考值。
void push(const value_type& x);    //把元素x插入到优先级队列的尾部，队列的长度加1
void pop();    //删除优先级队列的第一个值，前提是队列非空，删除后队列长度减1

关联容器

它运用了键值对（value-key），与java类似的map,例如hashmap，有点在于他提供了利用key快速访问功能，它的底层结构应该是一种树来实现的，所以他才有如此快的查找速度，最简单的set，他的键值对类型是一致的，而且唯一，元素默认按升序排列。map他的键值对类型不同，键是唯一的,元素默认按键的升序排列。！而muilti_sset/map 键可以不唯一。

迭代器在关联容器中对操作：

m.lower_bound(k)//返回一个迭代器，指向键不小于 k 的第一个元素
m.upper_bound(k)//返回一个迭代器，指向键大于 k 的第一个元素
m.equal_range(k)//返回一个迭代器的 pair 对象。它的 first 成员等价于m.lower_bound(k) //。而 second 成员则等价于 m.upper_bound(k)

map

map 是键－值对的集合。map 类型通常可理解为关联数组：可使用键作为下标来获取一个值，正如内置数组类型一样。而关联的本质在于元素的值与某个特定的键相关联，而并非通过元素在数组中的位置来获取。

定义与初始化

map<int,string> map1;    //默认为空

m.insert()
    1.m.insert(e)//e是一个用在m上的value_kry 类型的值。如果键（e.first不在m中，则插入一个值为e.second 的新元素；如果该键在m中已存在，则保持m不变。该函数返回一个pair类型对象，包含指向键为e.first的元素的map迭代器，以及一个 bool 类型的对象，表示是否插入了该元素
    2.m.insert(begin,end)//begin和end是标记元素范围的迭代器，其中的元素必须为m.value_key 类型的键－值对。对于该范围内的所有元素，如果它的键在 m 中不存在，则将该键及其关联的值插入到 m。返回 void 类型
    3.m.insert(iter,e)//e是一个用在m上的 value_key 类型的值。如果键（e.first）不在m中，则创建新元素，并以迭代器iter为起点搜索新元素存储的位置。返回一个迭代器，指向m中具有给定键的元素
m.count(k) //返回m中k的出现次数
m.find()   //如果m容器中存在按k索引的元素，则返回指向该元素的迭代器。如果不存在，则返回超出末端迭代器.
m.erase()  //具体与序列该方法一致！

set

支持插入，删除，查找等操作，就像一个集合一样。所有的操作的都是严格在logn时间之内完成，效率非常高。set和multiset的区别是：set插入的元素不能相同，但是multiset可以相同。Set默认自动排序。使用方法类似list。 set容器的定义和使用

set 容器的每个键都只能对应一个元素。以一段范围的元素初始化set对象，或在set对象中插入一组元素时，对于每个键，事实上都只添加了一个元素。

vector<int> ivec;
for(vector<int>::size_type i = 0; i != 10; ++i) {
ivec.push_back(i);
ivec.push_back(i);
}
set<int> iset(ivec.begin(), ivec.end());
cout << ivec.size() << endl;//20个
cout << iset.size() << endl;// 10个

添加

set<string> set1;
set1.insert("the"); //第一种方法：直接添加
set<int> iset2;
iset2.insert(ivec.begin(), ivec.end());//第二中方法：通过指针迭代器

获取：

set<int> iset;
for(int i = 0; i<10; i++)
iset.insert(i);
iset.find(1)// 返回指向元素内容为1的指针
iset.find(11)// 返回指针iset.end()
iset.count(1)// 存在，返回1
iset.count(11)// 不存在，返回0

由于其他两个不常用我们不做过多介绍！有兴趣的童鞋可以去CPPAPI或者 CPP底层源码参考学习！

无序关联容器

• unordered_set
• unordered_multiset
• unordered_map
• unordered_multimap

底层结构基于哈希表，主要与提高添加与删除元素得速度与提高查找算法得效率！无序关联容器（unordered_set、unordered_multiset、unordered_map和 unordered_multimap）使用键和哈希表，以便能够快速存取数据。

下面简要地介绍这些概念。哈希函数（hash function）将键转换为索引值。例如，如果键为string对象，哈希函数可能将其中每个字符的数字编码相加，再计算结果除以13的余数，从而得到 一个0～12的索引。

而无序容器将使用13个桶（bucket）来存储string，所有索引为4的string都将存储在第4个桶中。如果您要在容器中搜索键，将对键执行哈希函数，进而只在索引对应的桶中搜索。理想情况下，应有足够多的桶，每个桶只包含为数不多的string。

C++11库提供了模板hash<key>，无序关联容器默认使用该模板。为各种整型、浮点型、指针以及一些模板类（如string）定义了该模板的具体化。

X(n, hf, eq)//创建一个至少包含n个桶的空容器，并将hf用作哈希函数，将eq用作键值相等谓词。如果省略了eq，则将ke

y_equal( )用作键值相等谓词；如果也省略了hf，则将hasher( )用作哈希函数

X a(n, hf, eq)//创建一个名为a的空容器，它至少包含n个桶，并将hf用作哈希函数，将eq用作键值相等谓词。如果省略eq，则将key_equal( )用作键值相等谓词；如果也省略了hf，则将hasher( )用作哈希函数

X(i, j, n, hf, eq)//创建一个至少包含n个桶的空容器，将hf用作哈希函数，将eq用作键值相等谓词，并插入区间[i, j]中的元素。如果省略了eq，将key_equal( )用作键值相等谓词；如果省略了hf，将hasher( )用作哈希函数；如果省略了n，则包含桶数不确定

X a(i, j, n, hf, eq)//创建一个名为a的的空容器，它至少包含n个桶，将hf用作哈希函数，将eq用作键值相等谓词，并插入区间[i, j]中的元素。如果省略了eq，将key_equal( )用作键值相等谓词；如果省略了hf，
将hasher( )用作哈希函数；如果省略了n，则包含桶数不确定

b.hash_function( )//返回b使用的哈希函数

b.key_eq( )//返回创建b时使用的键值相等谓词

b.bucket_count( )//返回b包含的桶数

b.max_bucket_count ( )//返回一个上限数，它指定了b最多可包含多少个桶

b.bucket(k)//返回键值为k的元素所属桶的索引

b.bucket_size(n)//返回索引为n的桶可包含的元素数

b.begin(n)//返回一个迭代器，它指向索引为n的桶中的第一个元素

b.end(n)//返回一个迭代器，它指向索引为n的桶中的最后一个元素

b.cbegin(n)//返回一个常量迭代器，它指向索引为n的桶中的第一个元素

b.cend(n)//返回一个常量迭代器，它指向索引为n的桶中的最后一个元素

b.load_factor()//返回每个桶包含的平均元素数

b.max_load_factor()//返回负载系数的最大可能取值；超过这个值后，容器将增加桶

b.max_load_factor(z)//可能修改最大负载系统，建议将它设置为z

a.rehash(n)//将桶数调整为不小于n，并确保a.bucket_count( )> a.size( ) / a.max_load_factor( )

a.reserve(n)//等价于a.rehash(ceil(n/a.max_load_factor( )))，
其中ceil(x)返回不小于x的最小整数

用法基本都是一致，所以我在这里给大家一个可以寻找到一些数据结构的方法的路径!故没有给大家分析与解读他们的一些存储与方法作用图用于理解！

小结

我们一般在用一些基本的数据结构的时候，为了方便与解题技巧我们一般会用到容器！当然具体方法太多，所以建议用什么学什么！

1. 有序容器（除了list）：存储底层vector,只是添加了不同的接口！
2. deque（队列）：它不像vector 把所有的对象保存在一块连续的内存块，而是采用多个连续的存储块，并且在一个映射结构中保存对这些块及其顺序的跟踪。向deque 两端添加或删除元素的开销很小，它不需要重新分配空间。
3. list（列表）：是一个线性链表结构，它的数据由若干个节点构成，每一个节点都包括一个信息块（即实际存储的数据）、一个前驱指针和一个后驱指针。它无需分配指定的内存大小且可以任意伸缩，这是因为它存储在非连续的内存空间中，并且由指针将有序的元素链接起来。
4. 后面的关联与无序关联都是用的一种树状结构！

用法与选择：

1. 当数组大小未知时，和需要高效的查询功能，用vector!高效地随机存储。
2. 不使用连续的内存空间,而且可以随意地进行动态操作，有大量的插入、删除操作，用list！
3. 需要在两端进行push 、pop用daque！它兼顾了数组和链表的优点，它是分块的链表和多个数组的联合。所以它有被list 好的查询性能，有被vector 好的插入、删除性能。 如果你需要随即存取又关心两端数据的插入和删除，那么deque 是最佳之选。
4. 需要查找或者打表可以选择map与set,当然一定条件下我们可以优秀考虑用无序关联容器！