【C++庖丁解牛】STL简介 | string容器初次见面

news2024/10/6 20:31:02
🍁你好，我是 RO-BERRY
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🎄感谢你的陪伴与支持 ，故事既有了开头，就要画上一个完美的句号，让我们一起加油

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目录

  • 1. 什么是STL
  • 2. STL的版本
  • 3. STL的六大组件
  • 4. STL的重要性
  • 5. 如何学习STL
  • 6.STL的缺陷
  • 7. 为什么学习string类？
  • 8. 标准库中的string类
    • 8.1 string类(了解)
    • 8.2 string类的常用接口说明（注意下面我只讲解最常用的接口）
    • 8.3 string类对象的容量操作
    • 8.4 测试string容量相关的接口
      • 📖size、length和capacity
      • 📖clear接口
      • 📖resize接口
      • 📖reserve接口
      • 📖empty接口
    • 8.5 string类对象的访问及遍历操作
      • 反向迭代器
      • const迭代器

1. 什么是STL

STL(standard template libaray-标准模板库)：是C++标准库的重要组成部分，不仅是一个可复用的组件库，而且是一个包罗数据结构与算法的软件框架。

2. STL的版本

  • 原始版本
    Alexander Stepanov、Meng Lee 在惠普实验室完成的原始版本，本着开源精神，他们声明允许任何人任意运用、拷贝、修改、传播、商业使用这些代码，无需付费。唯一的条件就是也需要向原始版本一样做开源使用。 HP 版本–所有STL实现版本的始祖。
  • P. J. 版本
    由P. J. Plauger开发，继承自HP版本，被Windows Visual C++采用，不能公开或修改，缺陷：可读性比较低，
    符号命名比较怪异。
  • RW版本
    由Rouge Wage公司开发，继承自HP版本，被C+ + Builder 采用，不能公开或修改，可读性一般。
  • SGI版本
    由Silicon Graphics Computer Systems，Inc公司开发，继承自HP版 本。被GCC(Linux)采用，可移植性好，可公开、修改甚至贩卖，从命名风格和编程 风格上看，阅读性非常高。我们后面学习STL要阅读部分源代码，主要参考的就是这个版本。

3. STL的六大组件

在这里插入图片描述

4. STL的重要性

STL（Standard Template Library）是C++标准库中的一个重要组成部分，它提供了一系列的通用模板类和函数，用于实现常用的数据结构和算法。STL的重要性主要体现在以下几个方面：

  1. 提高开发效率：STL提供了丰富的容器（如vector、list、map等）和算法（如排序、查找、遍历等），可以直接使用这些现成的模板，避免了手动实现这些功能的繁琐过程，大大提高了开发效率。

  2. 提供高性能的数据结构和算法：STL中的容器和算法都经过精心设计和优化，具有高效的性能。例如，vector提供了快速的随机访问和动态扩容的能力，而算法库中的排序和查找算法采用了高效的实现方式，可以在大规模数据处理中获得较好的性能。

  3. 代码可重用性：STL中的容器和算法都是通用的，可以适用于各种类型的数据。通过使用STL，我们可以编写出更加通用、可复用的代码，提高代码的可维护性和可扩展性。

  4. 标准化和规范化：STL是C++标准库的一部分，它定义了一套统一的接口和规范，使得不同的开发者可以使用相同的方式来操作数据结构和算法。这样可以提高代码的可读性和可理解性，方便代码的交流和共享。

  5. 丰富的功能和灵活性：STL提供了多种容器和算法的选择，可以根据具体的需求选择合适的容器和算法。同时，STL还支持自定义类型的容器和算法，可以根据实际情况进行扩展和定制。

在工作中
网上有句话说：“不懂STL，不要说你会C++”。STL是C++中的优秀作品，有了它的陪伴，许多底层的数据结构以及算法都不需要自己重新造轮子，站在前人的肩膀上，健步如飞的快速开发。

5. 如何学习STL

学习STL（Standard Template Library）是C++程序员的重要一步，它提供了一组通用的数据结构和算法，可以大大提高代码的复用性和开发效率。以下是学习STL的一些建议：

  1. 理解STL的组成部分：STL由容器（Containers）、迭代器（Iterators）和算法（Algorithms）三个主要组成部分构成。容器用于存储数据，迭代器用于访问容器中的元素，算法用于对容器中的元素进行操作和处理。

  2. 学习STL的容器：STL提供了多种容器，如vector、list、set、map等。每种容器都有自己的特点和适用场景，需要了解它们的特性、操作方法和性能特点。

  3. 掌握STL的迭代器：迭代器是STL中非常重要的概念，它提供了一种统一的访问容器元素的方式。了解迭代器的种类和使用方法，能够灵活地遍历和操作容器中的元素。

  4. 熟悉STL的算法：STL提供了丰富的算法，如排序、查找、变换等。学习这些算法的使用方法和适用场景，能够快速地解决各种常见的问题。

  5. 阅读STL的源码和文档：阅读STL的源码可以深入理解其实现原理和设计思想，同时也可以学习到一些高效的编程技巧。此外，还可以参考STL的官方文档或相关书籍，了解更多细节和使用技巧。

  6. 实践和练习：通过实际的项目或练习题来应用STL，加深对其的理解和掌握。可以尝试使用STL解决一些常见的问题，提高自己的编程能力。

简单总结一下：学习STL的三个境界：能用，明理，能扩展 。

6.STL的缺陷

  1. STL库的更新太慢了。这个得严重吐槽，上一版靠谱是C++98，中间的C++03基本一些修订。C++11出
    来已经相隔了13年，STL才进一步更新。
  2. STL现在都没有支持线程安全。并发环境下需要我们自己加锁。且锁的粒度是比较大的。
  3. STL极度的追求效率，导致内部比较复杂。比如类型萃取，迭代器萃取。
  4. STL的使用会有代码膨胀的问题，比如使用vector/vector/vector这样会生成多份代码，当然这是模板语法本身导致的。

7. 为什么学习string类？

学习string类是因为它是C++中用于处理字符串的重要类之一。使用string类可以方便地进行字符串的操作和处理，包括字符串的连接、截取、查找、替换等。相比于C风格的字符串处理函数，string类提供了更多的功能和便利性。

通过学习string类，你可以掌握以下知识点：

  • 字符串的创建和初始化：可以使用构造函数或者赋值操作符来创建和初始化string对象。
  • 字符串的基本操作：可以使用成员函数来获取字符串的长度、访问特定位置的字符、比较字符串等。
  • 字符串的连接和拼接：可以使用加号运算符或者成员函数来实现字符串的连接和拼接。
  • 字符串的截取和提取：可以使用成员函数来截取子串或者提取特定位置的字符。
  • 字符串的查找和替换：可以使用成员函数来查找子串或者替换特定字符或子串。
  • 字符串的转换和格式化：可以使用成员函数来实现字符串与其他数据类型之间的转换，以及字符串的格式化输出。

总之，学习string类可以帮助你更加高效地处理字符串，提高编程效率和代码可读性。
C语言中，字符串是以’\0’结尾的一些字符的集合，为了操作方便，C标准库中提供了一些str系列的库函数，但是这些库函数与字符串是分离开的，不太符合OOP的思想，而且底层空间需要用户自己管理，稍不留神可能还会越界访问。

8. 标准库中的string类

8.1 string类(了解)

可以自行查看一下string类的文档介绍

  1. 字符串是表示字符序列的类
  2. 标准的字符串类提供了对此类对象的支持，其接口类似于标准字符容器的接口，但添加了专门用于操作单字节字符字符串的设计特性。
  3. string类是使用char(即作为它的字符类型，使用它的默认char_traits和分配器类型(关于模板的更多信息，请参阅basic_string)。
  4. string类是basic_string模板类的一个实例，它使用char来实例化basic_string模板类，并用char_traits和allocator作为basic_string的默认参数(根于更多的模板信息请参考basic_string)。
  5. 注意，这个类独立于所使用的编码来处理字节:如果用来处理多字节或变长字符(如UTF-8)的序列，这个类的所有成员(如长度或大小)以及它的迭代器，将仍然按照字节(而不是实际编码的字符)来操作。

总结：

  1. string是表示字符串的字符串类
  2. 该类的接口与常规容器的接口基本相同，再添加了一些专门用来操作string的常规操作。
  3. string在底层实际是：basic_string模板类的别名，typedef basic_string<char, char_traits, allocator> string;
  4. 不能操作多字节或者变长字符的序列。

在使用string类时，必须包含#include头文件以及using namespace std;

8.2 string类的常用接口说明（注意下面我只讲解最常用的接口）

  1. string类对象的常见构造
(constructor)函数名称功能说明
string() （重点）构造空的string类对象，即空字符串
string(const char* s) （重点）用C-string来构造string类对象
string(size_t n, char c)string类对象中包含n个字符c
string(const string&s) （重点）拷贝构造函数

这里重点示范三个重点的string构造：

#include<iostream>
using namespace std;

int main()
{
	string s1; // 构造空的string类对象s1
	string s2("hello world"); // 用C格式字符串构造string类对象s2
	string s3(s2); // 拷贝构造s3
	cout << s1 << endl;
	cout << s2 << endl;
	cout << s3 << endl;
	return 0;
}

运行结果：

在这里插入图片描述

8.3 string类对象的容量操作

函数名称功能说明
size（重点）返回字符串有效字符长度
length返回字符串有效字符长度
capacity返回空间总大小
empty （重点）检测字符串释放为空串，是返回true，否则返回false
clear （重点）清空有效字符
reserve （重点）为字符串预留空间
resize （重点）将有效字符的个数该成n个，多出的空间用字符c填充

8.4 测试string容量相关的接口

📖size、length和capacity

size和length都可以输出string容器中存储的字符串长度
capacity—string容器的容量

int main()
{
	// 注意：string类对象支持直接用cin和cout进行输入和输出
	string s("hello, world!!!");
	cout << s.size() << endl;
	cout << s.length() << endl;
	cout << s.capacity() << endl;
	cout << s << endl;
}

在这里插入图片描述

📖clear接口

将s中的字符串清空，注意清空时只是将size清0，不改变底层空间的大小

int main()
{
	string s("hello, world!!!");
	s.clear();
	cout << s.size() << endl;
	cout << s.capacity() << endl;
}

在这里插入图片描述

📖resize接口

list容器的resize()函数用于改变容器的大小。它接受一个参数，该参数表示容器的新大小。

当新大小小于当前大小时，resize()函数会删除多余的元素，使容器的大小等于新大小。
当新大小大于当前大小时，resize()函数会在容器末尾添加默认构造的元素，直到容器的大小等于新大小。

  • 将s中有效字符个数增加到10个，多出位置用’a’进行填充
int main()
{
	string s("hello");
	s.resize(10, 'a');
	cout << s.size() << endl;
	cout << s.capacity() << endl;
	cout << s << endl;
}

在这里插入图片描述

  • 将s中有效字符个数增加到15个，多出位置用缺省值’\0’进行填充
int main()
{
	string s("hello");
	s.resize(15);
	cout << s.size() << endl;
	cout << s.capacity() << endl;
	cout << s << endl;
}

在这里插入图片描述

  • 将s中有效字符个数缩小到5个
int main()
{
	string s("hello world");
	s.resize(5);
	cout << s.size() << endl;
	cout << s.capacity() << endl;
	cout << s << endl;
}

在这里插入图片描述

📖reserve接口

reserve()是list容器的一个成员函数，用于预留一定的内存空间，以提高插入元素的效率。
reserve()函数的作用是为list容器预留一定数量的元素空间，但并不实际创建这些元素。它可以在插入大量元素之前使用，以避免频繁的内存重新分配和复制操作，从而提高性能。

使用reserve()函数的语法如下：

void reserve(size_type n);
其中，n表示要预留的元素数量。

注意 :reserve()函数只会增加容器的容量，并不会改变容器的大小。如果在调用reserve()之后插入的元素数量超过了预留的空间，容器会自动进行内存重新分配。

int main()
{
	string s;
	cout << s.size() << endl;
	cout << s.capacity() << endl;
	// 测试reserve是否会改变string中有效元素个数
	s.reserve(100);
	cout << s.size() << endl;
	cout << s.capacity() << endl;

	// 测试reserve参数小于string的底层空间大小时，是否会将空间缩小
	s.reserve(50);
	cout << s.size() << endl;
	cout << s.capacity() << endl;
}

在这里插入图片描述

📖empty接口

检测字符串释放为空串，是返回true，否则返回false

int main()
{
	string s;
	int i = s.empty();
	cout << i << endl;
	s = "abcd";
	i = s.empty();
	cout << i << endl;
	return 0;
}

在这里插入图片描述
注意：

  1. size()与length()方法底层实现原理完全相同，引入size()的原因是为了与其他容器的接口保持一致，一般情况下基本都是用size()。
  2. clear()只是将string中有效字符清空，不改变底层空间大小。
  3. resize(size_t n) 与 resize(size_t n, char c)都是将字符串中有效字符个数改变到n个，不同的是当字符个数增多时：resize(n)用0来填充多出的元素空间，resize(size_t n, char c)用字符c来填充多出的元素空间。注意：resize在改变元素个数时，如果是将元素个数增多，可能会改变底层容量的大小，如果是将元素个数减少，底层空间总大小不变。
  4. reserve(size_t res_arg=0)：为string预留空间，不改变有效元素个数，当reserve的参数小于string的底层空间总大小时，reserver不会改变容量大小。

8.5 string类对象的访问及遍历操作

函数名称功能说明
operator[] （重点）返回pos位置的字符，const string类对象调用
begin+ endbegin获取一个字符的迭代器 + end获取最后一个字符下一个位置的迭代器
rbegin + rendbegin获取一个字符的迭代器 + end获取最后一个字符下一个位置的迭代器
范围forC++11支持更简洁的范围for的新遍历方式

注意：
string遍历时使用最多的还是for+下标 或者 范围for(C++11后才支持)

void Teststring4()
{
	string s("hello Bit");
	// 3种遍历方式：
	// 需要注意的以下三种方式除了遍历string对象，还可以遍历是修改string中的字符，
	// 另外以下三种方式对于string而言，第一种使用最多
	// 1. for+operator[]
	for (size_t i = 0; i < s.size(); ++i)
		cout << s[i] << endl;
		//等价于 cout << s.operator[i] << endl;

	// 2.迭代器
	string::iterator it = s.begin();
	while (it != s.end())
	{
		cout << *it << endl;
		++it;
	}

	// string::reverse_iterator rit = s.rbegin();
	// C++11之后，直接使用auto定义迭代器，让编译器推到迭代器的类型
	auto rit = s.rbegin();
	while (rit != s.rend())
		cout << *rit << endl;

	// 3.范围for
	for (auto ch : s)
		cout << ch << endl;
}

我们最推荐使用的是迭代器，其重要作用会在后续章节体现

反向迭代器

我们有正向的迭代器还有反向的
在这里插入图片描述

rbegin

在这里插入图片描述

rend

在这里插入图片描述

我们可以使用rbegin和rend进行反向输出

int main()
{
	string s("hello world");
	string::reverse_iterator it = s.rbegin();
	while (it != s.rend())
	{
		cout << *it << "";
		++it;
	}
	cout << endl;
	return 0;
}

在这里插入图片描述

const迭代器

const迭代器是一种用于遍历容器中元素的迭代器，它的作用是限制对容器中元素的修改操作。通过使用const迭代器，我们可以确保在遍历容器时不会意外地修改容器中的元素。

const迭代器有以下几个特点：

  1. 只能读取容器中的元素，不能修改它们。
  2. 可以与普通迭代器进行区分，以便在编程中进行类型检查和约束。
  3. 可以用于遍历常量容器，例如const vector、const list等。

对const对象使用迭代器的时候，也需要用const迭代器，这是针对const对象特定的迭代器

int main()
{
	const string s("hello world");
	string::const_reverse_iterator it = s.rbegin();
	while (it != s.rend())
	{
		cout << *it << "";
		++it;
	}
	cout << endl;
	return 0;
}

在这里插入图片描述
对于正向的迭代器用法是一样的

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