【C++】STL的基本用法

news2024/11/20 0:43:50

目录结构

1. STL概念

1.2 常见容器

1.3 六大组件

2.  STL容器之vector

1. vector

2. 基本用法示例

3. STL容器之map

1. map

2. 基本用法示例

1. STL概念

C++中的STL是指标准模板库的缩写。STL提供了一组通用的模板类和函数，用于实现常见的数据结构和算法，如向量（vector）、链表（list）、栈（stack）、队列（queue）、映射（map）等，以及包括排序、搜索、算法等在内的各种算法操作。

1.2 常见容器

  1. vector：动态数组，支持快速随机访问。
  2. list：双向链表，支持高效插入和删除操作。
  3. stack：栈，后进先出（LIFO）数据结构。
  4. queue：队列，先进先出（FIFO）数据结构。
  5. map：映射，键-值对的关联容器。

1.3 六大组件

  1. 容器（Containers）：容器是STL的核心组件之一，提供了各种数据结构，如向量（vector）、链表（list）、双端队列（deque）、栈（stack）、队列（queue）、映射（map）等。容器用于存储和组织数据，不同类型的容器适用于不同的数据访问和操作需求。

  2. 算法（Algorithms）：STL包含了一系列通用算法，用于操作容器中的数据，例如排序、查找、复制、变换等。这些算法是高度优化的，可适用于不同类型的容器，使开发人员能够更轻松地进行常见操作。

  3. 迭代器（Iterators）：迭代器是用于访问容器中元素的通用接口。它们提供了统一的方法来遍历容器，并使算法能够与不同类型的容器一起使用，而不需要了解底层容器的细节。

  4. 仿函数（Function Objects）：仿函数是可调用对象，它们在STL中用于执行特定操作，如排序或变换。STL提供了一些内置的仿函数，同时也允许开发人员定义自己的仿函数，以满足特定需求。

  5. 适配器（Adapters）：适配器是用于修改或扩展容器和迭代器行为的组件。STL中包括一些适配器，如栈适配器（stack adapter）和队列适配器（queue adapter），它们基于其他容器提供了不同的接口。

  6. 配置器（Allocators）：配置器用于管理内存分配和释放，以支持容器的底层数据结构。STL提供了默认的配置器，同时也允许开发人员自定义配置器以满足特定的内存管理需求。

2.  STL容器之vector

1. vector

std::vector 是 C++ 标准库提供的一个动态数组容器，它可以自动扩展和收缩，使其非常适合存储和管理可变数量的元素。

2. 基本用法示例

2.1 包含头文件

#include <vector>

2.2 创建一个空的 std::vector

std::vector<int> myVector;

2.3 向 std::vector 中添加元素

myVector.push_back(42);
myVector.push_back(23);
myVector.push_back(17);

2.4 访问 std::vector 中的元素

int firstElement = myVector[0];
int secondElement = myVector[1];

2.5 获取 std::vector 的大小

int size = myVector.size();

2.6 遍历 std::vector 中的元素

for (int i = 0; i < myVector.size(); i++) {
    std::cout << myVector[i] << " ";
}

2.7 使用范围循环遍历 std::vector

for (int value : myVector) {
    std::cout << value << " ";
}

2.8 插入元素到指定位置

myVector.insert(myVector.begin() + 1, 100);  // 在第二个位置插入值为100的元素

2.9 删除元素

myVector.erase(myVector.begin() + 1);  // 删除第二个元素

2.10 清空 std::vector

myVector.clear();

2.11 示例程序

创建了一个 std::vector，向其中添加、插入、删除元素，并最后清空了 std::vector。

#include <iostream>
#include <vector>

int main() {
    // 创建一个空的 std::vector，用于存储整数
    std::vector<int> myVector;

    // 向 std::vector 中添加一些整数元素
    myVector.push_back(42);
    myVector.push_back(23);
    myVector.push_back(17);

    // 遍历并打印 std::vector 中的元素
    for (int value : myVector) {
        std::cout << value << " ";
    }

    std::cout << std::endl;

    // 在第二个位置插入值为100的元素
    myVector.insert(myVector.begin() + 1, 100);

    // 再次遍历并打印 std::vector 中的元素
    for (int value : myVector) {
        std::cout << value << " ";
    }

    std::cout << std::endl;

    // 删除第二个元素
    myVector.erase(myVector.begin() + 1);

    // 再次遍历并打印 std::vector 中的元素
    for (int value : myVector) {
        std::cout << value << " ";
    }

    std::cout << std::endl;

    // 清空 std::vector
    myVector.clear();

    // 打印 std::vector 的大小（应该为0）
    std::cout << "Vector size: " << myVector.size() << std::endl;

    return 0;
}

2.12 std::vector 的简化版源码示例

该简化的 MyVector 类模拟了 std::vector 的基本功能，包括动态数组的管理、元素的添加、访问和扩容等。

#include <iostream>
#include <stdexcept>

template <typename T>
class MyVector {
private:
    T* data;        // 存储元素的数组
    size_t size;    // 当前元素数量
    size_t capacity; // 数组容量

public:
    // 构造函数
    MyVector() : data(nullptr), size(0), capacity(0) {}

    // 析构函数
    ~MyVector() {
        delete[] data; // 释放内存
    }

    // 返回元素数量
    size_t Size() const {
        return size;
    }

    // 添加元素到尾部
    void PushBack(const T& value) {
        if (size == capacity) {
            // 如果容量不足，扩展数组
            if (capacity == 0) {
                capacity = 1; // 初始容量为1
            } else {
                capacity *= 2; // 容量翻倍
            }
            T* newData = new T[capacity];
            for (size_t i = 0; i < size; ++i) {
                newData[i] = data[i];
            }
            delete[] data;
            data = newData;
        }
        data[size] = value; // 添加元素
        size++;
    }

    // 访问元素
    T& operator[](size_t index) {
        if (index < size) {
            return data[index];
        } else {
            throw std::out_of_range("Index out of range");
        }
    }
};

int main() {
    MyVector<int> myVector;

    myVector.PushBack(42);
    myVector.PushBack(23);
    myVector.PushBack(17);

    for (size_t i = 0; i < myVector.Size(); i++) {
        std::cout << myVector[i] << " ";
    }

    return 0;
}

3. STL容器之map

1. map

在C++的STL（标准模板库）中，std::map 是一种关联式容器，用于存储键-值对。它按照键的顺序进行排序，并且具有快速查找功能。

2. 基本用法示例

1. 包含头文件

#include <map>

2. 创建一个空的 std::map 

std::map<std::string, int> myMap;

3. 向 std::map 中插入键值对

myMap["Alice"] = 25;
myMap["Bob"] = 30;
myMap["Charlie"] = 35;

4. 访问 std::map 中的值

int age = myMap["Alice"];

5. 使用迭代器遍历 std::map 中的键值对

for (const auto& pair : myMap) {
    std::cout << "Name: " << pair.first << ", Age: " << pair.second << std::endl;
}

6. 检查 std::map 中是否包含特定的键

if (myMap.find("Alice") != myMap.end()) {
    std::cout << "Alice is in the map." << std::endl;
}

7. 示例程序示例程序创建了一个 std::map，向其中添加键值对，访问键值对的值，并检查特定的键是否存在。

#include <iostream>
#include <map>
#include <string>

int main() {
    // 创建一个空的 std::map，用于存储名字和年龄的关联关系
    std::map<std::string, int> myMap;

    // 向 std::map 中插入键值对
    myMap["Alice"] = 25;
    myMap["Bob"] = 30;
    myMap["Charlie"] = 35;

    // 使用迭代器遍历 std::map 中的键值对
    for (const auto& pair : myMap) {
        std::cout << "Name: " << pair.first << ", Age: " << pair.second << std::endl;
    }

    // 访问特定键的值
    int age = myMap["Alice"];
    std::cout << "Alice's age is " << age << std::endl;

    // 检查特定键是否存在于 std::map 中
    if (myMap.find("Alice") != myMap.end()) {
        std::cout << "Alice is in the map." << std::endl;
    }

    return 0;
}

以下是 std::map的简化版源码示例，用于说明其基本工作原理。

std::map 是 C++ 标准库提供的关联容器，它实际上是一个基于红黑树的有序关联容器，用于存储键值对，并能够按键的排序顺序进行访问。这个简化的 MyMap 类模拟了 std::map 的一些基本功能，包括插入和查找键值对。在实际的 std::map 实现中，还包括了红黑树平衡操作等，以确保高效的键值对查找和维护有序性。

#include <iostream>
#include <string>

template <typename Key, typename Value>
class MyMap {
private:
    struct Node {
        Key key;
        Value value;
        Node* left;
        Node* right;
        Node* parent;
        bool isRed; // 红黑树节点颜色标志
    };

    Node* root; // 根节点

    // 插入节点的内部辅助函数
    void InsertNode(Node*& node, const Key& key, const Value& value) {
        if (node == nullptr) {
            node = new Node{key, value, nullptr, nullptr, nullptr, true};
            // 红黑树插入后需要修复
            // （在实际的 std::map 实现中，这里包括了平衡操作，以确保树的平衡性）
        } else {
            if (key < node->key) {
                InsertNode(node->left, key, value);
            } else if (key > node->key) {
                InsertNode(node->right, key, value);
            } else {
                // 如果键已存在，更新值
                node->value = value;
            }
        }
    }

    // 查找节点的内部辅助函数
    Node* FindNode(const Key& key, Node* node) {
        if (node == nullptr || key == node->key) {
            return node;
        }
        if (key < node->key) {
            return FindNode(key, node->left);
        } else {
            return FindNode(key, node->right);
        }
    }

public:
    MyMap() : root(nullptr) {}

    // 插入键值对
    void Insert(const Key& key, const Value& value) {
        InsertNode(root, key, value);
    }

    // 查找键对应的值
    Value Find(const Key& key) {
        Node* node = FindNode(key, root);
        if (node != nullptr) {
            return node->value;
        } else {
            // 返回默认值，可以根据需求修改
            return Value();
        }
    }
};

int main() {
    MyMap<std::string, int> myMap;

    myMap.Insert("Alice", 25);
    myMap.Insert("Bob", 30);
    myMap.Insert("Charlie", 35);

    int age = myMap.Find("Alice");
    std::cout << "Alice's age is " << age << std::endl;

    return 0;
}

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