C++ STL 教程

C++ 标准模板库(Standard Template Library,STL)是一套功能强大的 C++ 模板类和函数的集合,它提供了一系列通用的、可复用的算法和数据结构。

STL 的设计基于泛型编程,这意味着使用模板可以编写出独立于任何特定数据类型的代码。

STL 分为多个组件,包括容器(Containers)、迭代器(Iterators)、算法(Algorithms)、函数对象(Function Objects)和适配器(Adapters)等。

使用 STL 的好处:

  • 代码复用:STL 提供了大量的通用数据结构和算法,可以减少重复编写代码的工作。
  • 性能优化:STL 中的算法和数据结构都经过了优化,以提供最佳的性能。
  • 泛型编程:使用模板,STL 支持泛型编程,使得算法和数据结构可以适用于任何数据类型。
  • 易于维护:STL 的设计使得代码更加模块化,易于阅读和维护。

C++ 标准模板库的核心包括以下重要组件组件:

组件 描述
容器(Containers)

容器是 STL 中最基本的组件之一,提供了各种数据结构,包括向量(vector)、链表(list)、队列(queue)、栈(stack)、集合(set)、映射(map)等。这些容器具有不同的特性和用途,可以根据实际需求选择合适的容器。

算法(Algorithms) STL 提供了大量的算法,用于对容器中的元素进行各种操作,包括排序、搜索、复制、移动、变换等。这些算法在使用时不需要关心容器的具体类型,只需要指定要操作的范围即可。
迭代器(iterators) 迭代器用于遍历容器中的元素,允许以统一的方式访问容器中的元素,而不用关心容器的内部实现细节。STL 提供了多种类型的迭代器,包括随机访问迭代器、双向迭代器、前向迭代器和输入输出迭代器等。
函数对象(Function Objects) 函数对象是可以像函数一样调用的对象,可以用于算法中的各种操作。STL 提供了多种函数对象,包括一元函数对象、二元函数对象、谓词等,可以满足不同的需求。
适配器(Adapters) 适配器用于将一种容器或迭代器适配成另一种容器或迭代器,以满足特定的需求。STL 提供了多种适配器,包括栈适配器(stack adapter)、队列适配器(queue adapter)和优先队列适配器(priority queue adapter)等。

这些个组件都带有丰富的预定义函数,帮助我们通过简单的方式处理复杂的任务。


容器

容器是用来存储数据的序列,它们提供了不同的存储方式和访问模式。

STL 中的容器可以分为三类:

1、序列容器:存储元素的序列,允许双向遍历。

  • std::vector:动态数组,支持快速随机访问。
  • std::deque:双端队列,支持快速插入和删除。
  • std::list:链表,支持快速插入和删除,但不支持随机访问。

2、关联容器:存储键值对,每个元素都有一个键(key)和一个值(value),并且通过键来组织元素。

  • std::set:集合,不允许重复元素。
  • std::multiset:多重集合,允许多个元素具有相同的键。
  • std::map:映射,每个键映射到一个值。
  • std::multimap:多重映射,存储了键值对(pair),其中键是唯一的,但值可以重复,允许一个键映射到多个值。

3、无序容器(C++11 引入):哈希表,支持快速的查找、插入和删除。

  • std::unordered_set:无序集合。
  • std::unordered_multiset:无序多重集合。
  • std::unordered_map:无序映射。
  • std::unordered_multimap:无序多重映射。

下面的程序演示了向量容器(一个 C++ 标准的模板),它与数组十分相似,唯一不同的是,向量在需要扩展大小的时候,会自动处理它自己的存储需求:

实例

#include <iostream> #include <vector> using namespace std; int main() { // 创建一个向量存储 int vector<int> vec; int i; // 显示 vec 的原始大小 cout << "vector size = " << vec.size() << endl; // 推入 5 个值到向量中 for(i = 0; i < 5; i++){ vec.push_back(i); } // 显示 vec 扩展后的大小 cout << "extended vector size = " << vec.size() << endl; // 访问向量中的 5 个值 for(i = 0; i < 5; i++){ cout << "value of vec [" << i << "] = " << vec[i] << endl; } // 使用迭代器 iterator 访问值 vector<int>::iterator v = vec.begin(); while( v != vec.end()) { cout << "value of v = " << *v << endl; v++; } return 0; }

当上面的代码被编译和执行时,它会产生下列结果:

vector size = 0
extended vector size = 5
value of vec [0] = 0
value of vec [1] = 1
value of vec [2] = 2
value of vec [3] = 3
value of vec [4] = 4
value of v = 0
value of v = 1
value of v = 2
value of v = 3
value of v = 4

关于上面实例中所使用的各种函数,有几点要注意:

  • push_back( ) 成员函数在向量的末尾插入值,如果有必要会扩展向量的大小。
  • size( ) 函数显示向量的大小。
  • begin( ) 函数返回一个指向向量开头的迭代器。
  • end( ) 函数返回一个指向向量末尾的迭代器。

STL 是 C++ 编程中不可或缺的一部分,它极大地扩展了 C++ 的功能,使得程序员能够编写出更加高效、可读性更强的代码。

掌握 STL 的使用对于任何 C++ 程序员来说都是非常重要的。