＜C++学习＞C++ std::algorithm 教程

news2025/1/12 6:19:47

C++ 标准模板库（STL）中的 <algorithm> 提供了丰富的算法集合，涵盖了排序、查找、修改、比较等常见操作。它们与 C++ 容器紧密结合，能够高效地处理容器中的数据。

1. `std::algorithm` 的特点

通用性：基于迭代器设计，适用于各种容器（如 std::vector、std::list）。
高效性：大多数算法都经过优化，可以直接用于生产环境。
灵活性：许多算法可以通过传递函数对象或 lambda 表达式自定义行为。

2. 常用算法概览

2.1 分类

修改容器内容：
- 排序：std::sort、std::stable_sort
- 逆序：std::reverse
- 删除：std::remove、std::remove_if
- 替换：std::replace、std::replace_if
查找元素：
- 普通查找：std::find、std::find_if
- 二分查找：std::binary_search
数值算法：
- 累加：std::accumulate
- 部分和：std::partial_sum
比较与检查：
- 全部满足：std::all_of
- 任意满足：std::any_of
- 无一满足：std::none_of

3. 算法应用详解

3.1 排序算法

1. `std::sort`

std::sort 用于对范围内的元素进行快速排序（默认升序）。

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

int main() {
    std::vector<int> vec = {5, 2, 9, 1, 5, 6};

    // 升序排序
    std::sort(vec.begin(), vec.end());

    // 自定义排序：降序
    std::sort(vec.begin(), vec.end(), [](int a, int b) {
        return a > b;
    });

    for (int val : vec) {
        std::cout << val << " ";
    }
    return 0;
}

2. `std::stable_sort`

保证排序稳定性（即保持相同元素的原有顺序）。

std::stable_sort(vec.begin(), vec.end());

3. `std::reverse`

将容器中的元素逆序。

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

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

    std::reverse(vec.begin(), vec.end());

    for (int val : vec) {
        std::cout << val << " ";
    }
    return 0;
}

3.2 查找算法

1. `std::find`

从范围 [first, last) 中找到第一个匹配的元素。

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

int main() {
    std::vector<int> vec = {10, 20, 30, 40};

    auto it = std::find(vec.begin(), vec.end(), 30);
    if (it != vec.end()) {
        std::cout << "Found: " << *it << std::endl;
    } else {
        std::cout << "Not found!" << std::endl;
    }
    return 0;
}

2. `std::find_if` 和 `std::find_if_not`

查找满足特定条件的第一个元素。

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

int main() {
    std::vector<int> vec = {10, 25, 30, 40};

    auto it = std::find_if(vec.begin(), vec.end(), [](int x) {
        return x > 20;  // 查找第一个大于 20 的元素
    });

    if (it != vec.end()) {
        std::cout << "Found: " << *it << std::endl;
    }
    return 0;
}

3. `std::binary_search`

在有序范围内进行二分查找，返回 true 或 false。

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

int main() {
    std::vector<int> vec = {10, 20, 30, 40, 50};
    bool found = std::binary_search(vec.begin(), vec.end(), 30);

    std::cout << (found ? "Found" : "Not found") << std::endl;
    return 0;
}

3.3 修改算法

1. `std::remove` 和 `std::remove_if`

逻辑删除指定的元素（实际未修改容器大小，需要配合 erase）。

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

int main() {
    std::vector<int> vec = {1, 2, 3, 4, 5, 2, 6};

    // 删除所有值为 2 的元素
    vec.erase(std::remove(vec.begin(), vec.end(), 2), vec.end());

    for (int val : vec) {
        std::cout << val << " ";
    }
    return 0;
}

2. `std::replace` 和 `std::replace_if`

将容器中所有匹配的元素替换为新值。

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

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

    std::replace(vec.begin(), vec.end(), 2, 99);  // 把所有 2 替换为 99

    for (int val : vec) {
        std::cout << val << " ";
    }
    return 0;
}

3.4 数值算法

1. `std::accumulate`

对范围内的元素求和或进行累积操作（需要引入 <numeric>）。

#include <iostream>
#include <vector>
#include <numeric>

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

    int sum = std::accumulate(vec.begin(), vec.end(), 0);
    std::cout << "Sum: " << sum << std::endl;

    return 0;
}

2. `std::partial_sum`

计算部分和。

#include <iostream>
#include <vector>
#include <numeric>

int main() {
    std::vector<int> vec = {1, 2, 3, 4};
    std::vector<int> result(vec.size());

    std::partial_sum(vec.begin(), vec.end(), result.begin());

    for (int val : result) {
        std::cout << val << " ";  // 输出: 1 3 6 10
    }
    return 0;
}

3.5 条件算法

1. `std::all_of`, `std::any_of`, `std::none_of`

检查容器中是否有元素满足条件。

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

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

    bool allPositive = std::all_of(vec.begin(), vec.end(), [](int x) { return x > 0; });
    bool hasEven = std::any_of(vec.begin(), vec.end(), [](int x) { return x % 2 == 0; });
    bool noNegative = std::none_of(vec.begin(), vec.end(), [](int x) { return x < 0; });

    std::cout << "All positive: " << allPositive << std::endl;
    std::cout << "Has even: " << hasEven << std::endl;
    std::cout << "No negative: " << noNegative << std::endl;

    return 0;
}