C++STL——概述

一、相关介绍

STL

• 标准模板库
• 在编写代码的过程中有一些程序经常会被用到，而且需求特别稳定，所以C++中把这些常用的模板做了统一的规范，慢慢的就形成了STL
• 提供三种类型的组件: 容器、迭代器和算法，它们都支持泛型程序设计标准

容器

• 顺序容器（vector、list、deque）：通过元素在容器中的位置顺序存储和访问元素
• 关联容器（set、map、multiset、multimap）：通过键（Key）存储和读取元素
• 容器适配器（stack、queue、priority_queue）

迭代器

• 一种检查容器内元素并遍历元素的数据类型
• 每种容器类型都定义了自己的迭代器类型
• 包括：双向迭代器、随机迭代器

二、容器

【顺序容器】

• 顺序容器中元素排列顺序与其值无关，而仅仅由元素添加到容器里的次序决定
• 容器内的元素类型必须至少满足2个条件：可复制和可赋值
• 所有的迭代器范围都是左闭右开区间，［beg，end） 包括beg，但不包括end

标准库定义了三种顺序容器：vector，list和deque。

vector——连续存储的元素，单向的

list——由节点组成的不连续存储的双向链表

deque——连续存储的元素，双向的

它们的区别在于访问元素的方式，以及添加或删除元素相关操作的运行代价。

如下图：

【关联容器】

• 独特之处在于支持键的使用
• 支持通过键来高效地查找和读取元素

标准库定义了两种关联容器：set，map

set——仅含一个键，并有效地支持关于某个键是否存在的查询

map——元素以键-值（key-value）对的形式组织：键用作元素在map中的索引，而值则表示所存储和读取的元素

一般来说，如果希望有效的存储不同值的集合，那么set容器比较合适，而map容器则更适用于需要存储（乃至修改）每个键所关联值的情况。

在做某种文本处理时，可使用set保存要忽略的单词。而字典则是map的一种很好的应用：单词本身是键，而它的解释说明则是值。

map和set类型的对象所包含的元素都具有不同的键，不允许同一个键添加第二个元素。如果一个键必须对应多个实例，则需要使用multimap和multiset类型。

【容器适配器】

• 不是第一类容器
• 没有提供与元素的保存形式有关的真正数据结构实现
• 适配器都是建立在某个顺序容器之上的
• 适配器不支持迭代器
• 优点：能够使程序员选择一种合适的底层数据结构

STL提供了三种容器适配器：stack,queue,priority_queue。

statck——可以建立在vector,list,deque任何一种容器之上
queue——要求关联容器提供front操作，所以只有list和deque满足
priority_queue——要求提供随机访问功能 ，所有只有vector和deque满足

• stack类允许在底层数据结构的一端执行插入和删除操作（先入后出）。堆栈能够用任何顺序容器实现：vector、list、deque。
• queue类允许在底层数据结构的末尾插入元素，也允许从前面插入元素（先入先出）。队列能够用STL数据结构的list和deque实现，默认情况下是用deque实现的。
• priority_queue类，能够按照有序的方式在底层数据结构中执行插入操作，也能从底层数据结构的前面执行删除操作。priority_queue能够用STL的序列容器vector和deque实现。默认情况下使用vector作为底层容器的。当元素添加到priority_queue时，它们按优先级顺序插入。这样，具有最高优先级的元素，就是从priority_queue中首先被删除的元素。通常这是利用堆排序来实现的。堆排序总是将最大值（即优先级最高的元素）放在数据结构的前面。这种数据结构称为（heap）。

 

三、迭代器

 

一、迭代器的变化

和vector、list不同，set、map都是关联式容器。set内部是基于红黑树实现的。插入和删除操作效率较高，因为只需要修改相关指针而不用进行数据的移动。 
在进行数据删除操作后，迭代器会不会失效呢？删除set的数据时，实际的操作是删除红黑树中的一个节点，然后相关指针做相关调整。指向其他元素的迭代器还是指向原位置，并没有改变，所以删除一个节点后其他迭代器不会失效。list和map也是同样的道理。然而删除vector中的某个元素，vector中其他迭代器会失效，因为vector是基于数组的，删除一个元素后，后面的元素会往前移动，所以指向后面元素的迭代器会失效。 

二、迭代器的实现

迭代器是一个对象，vector的迭代器是封装了数组下标；list、map、set的迭代器是封装了元素节点的指针。 
还有一点，从数学层面，set的一个集合，好比一个袋子里面装了好多个小球。但是红黑树是一种特殊的二叉搜索树，set中的元素根据其值的大小在红黑树中有特定的位置，是不可移动的。所以，1是search操作效率会很高O(log n)，2是set中元素的值不可改变。

 

【小问题】

set是基于红黑树实现的，那么set的迭代器begin()、end()是指向哪里的呢？ 
一个测试程序：

#include<iostream>
#include<set>
using namespace std;
int main(){
    set<int> myset;
    myset.insert(4);
    myset.insert(7);
    myset.insert(2);
    myset.insert(0);
    myset.insert(4);
    set<int>::iterator it;
    for(it = myset.begin(); it != myset.end(); it++){
        cout<< *it;   //输出结果是：0247
    }
}

红黑树首先是二叉搜索树，所以begin()迭代器指向红黑树的最左边的节点，end()迭代器指向红黑树的最右边的节点。另外这个小程序还说明了重复插入无效。

 

(1)STL中迭代器容器中都要注意的地方(vector中已经提到)：
1）任何时候同时使用两个迭代器产生的将会是一个前闭后开的区间(具体见插入和删除的例子)
2）begin()指向的是vec中的第0个元素，而end是指向最后一个元素的后面一个位置（不是最后一个元素）
3）迭代器的时效性，如果一个迭代器所指向的内容已经被删除，而后又使用该迭代器的话，会造成意想不到的后果

(2)list的迭代器是双向迭代器(只能++   --，没有偏移功能)而不是像vector那样的随机迭代器(和指针几乎一样的所有功能)

在list中，由于其内存是非连续的，因此不能像vector那样，用[]操作符取值，只能用迭代器。

(3)list和vector的区别，本质区别：list是链式存储，vector在内存中是连续区别的，有本质区别而导致下面区别

1）list不支持随机访问(2)中已经说明,vector可以像数组那样使用平[]访问元素，而list是不可以的

2) list的插入和删除效率很高，所以list有push_front、pop_front、sort而vector中这些操作的效率太低了，所以STL中没有写这些功能

与vector相比，list除了有push_back()//在尾部插入 和 insert()之外，还有push_front()//即在链表的头部插入

3）list的一些特有的函数remove、reverse、unique、splice、merge功能(这些连deque中都没有的)