C++之STL库简介

news2024/11/23 16:22:34

 

目录

一、STL（Standard Template Library，标准模板库）

二、容器（Containers）

1.vector（动态数组）

2.list（双向链表）

3.deque（双端队列）

4.stack（栈）

5.queue（队列）

6.set（集合）

7.map（映射）

三、算法（Algorithms）

四、迭代器（Iterators）

一、STL（Standard Template Library，标准模板库）

是一组C++标准库的组合，其中包括多个容器类、算法和迭代器等。STL库的设计目标是提供一组通用的数据结构和算法，从而使C++程序员能够编写高效、可维护的代码。

STL库的核心组件包括以下三个部分：

  1. 容器（Containers）：STL库提供了多个容器类，包括vector、list、deque、queue、stack、set、map等，这些容器类支持不同的数据结构和访问方式，可以满足各种不同的需求。

  2. 算法（Algorithms）：STL库提供了大量的算法函数，包括查找、排序、变换、数值计算等，这些算法函数可以对容器中的元素进行操作，从而实现各种有用的功能。

  3. 迭代器（Iterators）：STL库提供了多个迭代器类，包括input_iterator、output_iterator、forward_iterator、bidirectional_iterator、random_access_iterator等，这些迭代器类支持不同的遍历方式和访问方式，可以帮助程序员快速、方便地访问容器中的元素。

使用STL库，程序员可以通过简单的代码实现复杂的数据结构和算法。例如，使用vector容器和sort算法可以快速地对一组数据进行排序，而使用set容器和find算法可以快速地查找某个元素是否存在于一个集合中。在实际的软件开发中，STL库已经成为C++程序员必不可少的工具之一。

STL库的核心组件包括容器（Containers）、算法（Algorithms）和迭代器（Iterators）。下面将对每个组件进行详细介绍，并给出相应的案例。

二、容器（Containers）

STL库提供了多个容器类，用于存储和管理数据。常用的容器类包括：

以下是一个使用vector容器的示例，展示了如何存储一组整数并进行遍历：

  • vector：动态数组，支持随机访问。
  • list：双向链表，支持快速插入和删除。
  • deque：双端队列，支持头尾快速插入和删除。
  • stack：栈，后进先出。
  • queue：队列，先进先出。
  • set：集合，有序且不重复的元素集合。
  • map：映射，键值对的集合。
#include <iostream>
#include <vector>

int main() {
    std::vector<int> numbers;  // 创建一个空的vector容器

    // 向容器中添加数据
    numbers.push_back(10);
    numbers.push_back(20);
    numbers.push_back(30);
    numbers.push_back(40);

    // 遍历容器中的数据并打印
    for (const auto& num : numbers) {
        std::cout << num << " ";
    }
    std::cout << std::endl;

    return 0;
}

下面对STL库中的容器进行详细介绍：

1.vector（动态数组）

vector是一个动态数组，支持随机访问，并且具有动态调整大小的能力。它在内存中以连续的块存储元素，可以通过下标直接访问元素。vector的插入和删除操作相对较慢，但是访问元素的速度很快。

2.list（双向链表）

list是一个双向链表，支持快速插入和删除操作。它的每个元素都包含一个前向指针和一个后向指针，这使得在任意位置进行插入和删除操作非常高效。然而，由于链表的特性，list不支持随机访问，只能通过迭代器进行遍历。

3.deque（双端队列）

deque是一个双端队列，可以在头部和尾部进行快速插入和删除操作。它内部使用多个缓冲区存储元素，支持动态调整大小。和vector一样，deque也支持随机访问。

4.stack（栈）

stack是一个后进先出（LIFO）的数据结构，它基于其他容器实现，如deque或list。栈只能在顶部进行插入和删除操作，不支持随机访问。常用的操作包括push（入栈）、pop（出栈）和top（获取栈顶元素）。

5.queue（队列）

queue是一个先进先出（FIFO）的数据结构，它也基于其他容器实现，如deque或list。队列只能在尾部进行插入操作，在头部进行删除操作，不支持随机访问。常用的操作包括push（入队）、pop（出队）和front（获取队头元素）。

6.set（集合）

set是一个集合，其中的元素按照某种特定的排序规则进行存储，并且不允许有重复元素。set内部使用红黑树实现，这使得插入、删除和查找操作的时间复杂度都是O(log n)。常用的操作包括insert（插入元素）、erase（删除元素）和find（查找元素）。

7.map（映射）

map是一个键值对的集合，其中的每个元素由一个键和一个值组成。map中的元素按照键的排序规则进行存储，并且不允许有重复键。map也是基于红黑树实现的，常用的操作包括insert（插入键值对）、erase（删除键值对）和find（查找键值对）。

假设我们要编写一个程序，用于存储和管理学生信息，包括姓名、年龄和成绩等。为了实现这一功能，我们可以使用STL库中的容器类来存储学生对象，并且可以通过各种操作来管理这些学生信息。

具体实现如下：

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

using namespace std;

// 学生类
class Student {
public:
    string name;
    int age;
    double score;

    Student() {}
    Student(const string& n, int a, double s) : name(n), age(a), score(s) {}
};

// 学生管理类
class StudentManager {
private:
    vector<Student> students;   // 学生列表

public:
    // 添加学生
    void addStudent(const Student& s) {
        students.push_back(s);
    }

    // 删除学生
    void removeStudent(const string& name) {
        for (auto it = students.begin(); it != students.end(); ++it) {
            if (it->name == name) {
                students.erase(it);
                break;
            }
        }
    }

    // 修改学生信息
    void modifyStudent(const string& name, int age, double score) {
        for (auto& s : students) {
            if (s.name == name) {
                s.age = age;
                s.score = score;
                break;
            }
        }
    }

    // 查找学生信息
    Student* findStudent(const string& name) {
        for (auto& s : students) {
            if (s.name == name) {
                return &s;
            }
        }
        return nullptr;
    }

    // 按成绩排序
    void sortByScore() {
        sort(students.begin(), students.end(), [](const Student& lhs, const Student& rhs) {
            return lhs.score > rhs.score;
        });
    }

    // 显示所有学生信息
    void displayAllStudents() {
        for (auto& s : students) {
            cout << "Name: " << s.name << ", Age: " << s.age << ", Score: " << s.score << endl;
        }
    }
};

int main() {
    StudentManager sm;

    // 添加学生
    sm.addStudent(Student("Tom", 18, 80.5));
    sm.addStudent(Student("Alice", 19, 90.0));
    sm.addStudent(Student("Bob", 20, 85.5));

    // 查找学生信息
    Student* s = sm.findStudent("Tom");
    if (s != nullptr) {
        cout << "Found student: " << s->name << ", Age: " << s->age << ", Score: " << s->score << endl;
    } else {
        cout << "Student not found." << endl;
    }

    // 修改学生信息
    sm.modifyStudent("Alice", 20, 95.0);

    // 删除学生
    sm.removeStudent("Bob");

    // 按成绩排序
    sm.sortByScore();

    // 显示所有学生信息
    sm.displayAllStudents();

    return 0;
}

三、算法（Algorithms）

STL库提供了大量的算法函数，用于对容器中的元素执行各种操作，如查找、排序、变换和数值计算等。常用的算法函数包括：

以下是一个使用sort算法对vector容器进行排序的示例：

  • find：在容器中查找指定元素。
  • sort：对容器中的元素进行排序。
  • transform：将容器中的元素按照某个规则进行转换。
  • accumulate：计算容器中元素的累加或累乘结果。
  • #include <iostream>
#include <vector>
#include <algorithm>

int main() {
    std::vector<int> numbers = {5, 3, 8, 1, 2, 4};

    // 使用sort算法对容器进行排序
    std::sort(numbers.begin(), numbers.end());

    // 打印排序后的结果
    for (const auto& num : numbers) {
        std::cout << num << " ";
    }
    std::cout << std::endl;

    return 0;
}

四、迭代器（Iterators）

  • 迭代器是STL库中用于遍历和访问容器元素的通用接口。迭代器提供了统一的方式来访问不同类型容器的元素，使算法能够独立于具体容器的实现。常用的迭代器类型包括：

    以下是一个使用迭代器遍历vector容器的示例：

    • iterator：可读写的迭代器。
    • const_iterator：只读的迭代器。
    • reverse_iterator：反向迭代器。
    • const_reverse_iterator：只读的反向迭代器。
#include <iostream>
#include <vector>

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

    // 使用迭代器遍历容器并打印元素
    for (auto it = numbers.begin(); it != numbers.end(); ++it) {
        std::cout << *it << " ";
    }
    std::cout << std::endl;

    return 0;
}

通过使用STL库，程序员可以方便地使用各种数据结构和算法，并减少重复编写代码的工作量。此外，STL库还提供了丰富的算法函数，让开发者能够快速高效地处理数据和实现各种功能。

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