ICode9

精准搜索请尝试: 精确搜索
首页 > 编程语言> 文章详细

【C++100问】深度总结STL基本容器的使用

2020-02-22 22:36:57  阅读:21  来源: 互联网

标签:容器 迭代 STL 元素 C++ vector 100 include



专栏C++学习笔记

声明

1)本文仅供学术交流,非商用。
2)博主才疏学浅,文中如有不当之处,请各位指出,共同进步,谢谢。
3)此属于第一版本,若有错误,还需继续修正与增删,还望大家多多指点。
4)大家都共享一点点,一起为祖国科研的推进添砖加瓦。

文章目录

〇、前言

近期终于粗略地学习完了C++的STL容器,决心总结一波,以便复习和记录。

因为是初学者,如果有写的不对的地方,还请各位不吝赐教。
在这里插入图片描述
以下是学习笔记总目录(更新中ing),和关于容器的章节习题。



一、C++库引用(Import C++ Library)

众所周知,常用的库引用如下:

#include <iostream>  
#include <cstdio>  
#include <fstream>  
#include <algorithm>  
#include <cmath>  
#include <deque>  
#include <vector>  
#include <queue>  
#include <string>  
#include <cstring>  
#include <map>  
#include <stack>  
#include <set>  

有些太多,所以有了一个新奇的方法:

#include <bits/stdc++.h>

一行代码解决一系列代码,方便!
在这里插入图片描述
其中 bits/stdc++.h 源码如下:

// C++ includes used for precompiling -*- C++ -*-

// Copyright (C) 2003-2014 Free Software Foundation, Inc.
//
// This file is part of the GNU ISO C++ Library.  This library is free
// software; you can redistribute it and/or modify it under the
// terms of the GNU General Public License as published by the
// Free Software Foundation; either version 3, or (at your option)
// any later version.

// This library is distributed in the hope that it will be useful,
// but WITHOUT ANY WARRANTY; without even the implied warranty of
// MERCHANTABILITY or FITNESS FOR A PARTICULAR PURPOSE.  See the
// GNU General Public License for more details.

// Under Section 7 of GPL version 3, you are granted additional
// permissions described in the GCC Runtime Library Exception, version
// 3.1, as published by the Free Software Foundation.

// You should have received a copy of the GNU General Public License and
// a copy of the GCC Runtime Library Exception along with this program;
// see the files COPYING3 and COPYING.RUNTIME respectively.  If not, see
// <http://www.gnu.org/licenses/>.

/** @file stdc++.h
 *  This is an implementation file for a precompiled header.
 */

// 17.4.1.2 Headers

// C
#ifndef _GLIBCXX_NO_ASSERT
#include <cassert>
#endif
#include <cctype>
#include <cerrno>
#include <cfloat>
#include <ciso646>
#include <climits>
#include <clocale>
#include <cmath>
#include <csetjmp>
#include <csignal>
#include <cstdarg>
#include <cstddef>
#include <cstdio>
#include <cstdlib>
#include <cstring>
#include <ctime>

#if __cplusplus >= 201103L
#include <ccomplex>
#include <cfenv>
#include <cinttypes>
#include <cstdalign>
#include <cstdbool>
#include <cstdint>
#include <ctgmath>
#include <cwchar>
#include <cwctype>
#endif

// C++
#include <algorithm>
#include <bitset>
#include <complex>
#include <deque>
#include <exception>
#include <fstream>
#include <functional>
#include <iomanip>
#include <ios>
#include <iosfwd>
#include <iostream>
#include <istream>
#include <iterator>
#include <limits>
#include <list>
#include <locale>
#include <map>
#include <memory>
#include <new>
#include <numeric>
#include <ostream>
#include <queue>
#include <set>
#include <sstream>
#include <stack>
#include <stdexcept>
#include <streambuf>
#include <string>
#include <typeinfo>
#include <utility>
#include <valarray>
#include <vector>

#if __cplusplus >= 201103L
#include <array>
#include <atomic>
#include <chrono>
#include <condition_variable>
#include <forward_list>
#include <future>
#include <initializer_list>
#include <mutex>
#include <random>
#include <ratio>
#include <regex>
#include <scoped_allocator>
#include <system_error>
#include <thread>
#include <tuple>
#include <typeindex>
#include <type_traits>
#include <unordered_map>
#include <unordered_set>
#endif

不过 VS 会报错,网上解决办法一大堆,这里就不过多赘述了。


二、STL(Standard Template Library)

  1. STL(Standard Template Library),中文名 标准模板库,是一个高效的C++程序库,包含很多常用的 基本数据结构基本算法,为C++程序员们提供了一个可扩展的应用框架,高度体现了软件的可复用性。
  2. 从逻辑层次来看,在STL中体现了 泛型编程思想(generic programming)
  3. 从实现层次看,整个STL是以一种 类型参数化(type parameterized) 的方式实现的。

STL有六大组件(容器(containers)迭代器(iterators)空间配置器(allocator)配接器(adapters)算法(algorithms)仿函数(functors))。

在这里插入图片描述
但主要是容器、迭代器和算法三个部分:

  • 容器(Containers):用来管理某类对象的集合。对最常用的数据结构提供了支持,每一种容器都有其优点和缺点,为了应付程序中的不同需求。
  • 迭代器(Iterators):用来在一个对象集合的元素上进行遍历动作。这个对象集合或许是个容器,或许是容器的一部分,每种容器都提供了了解该种容器内部结构的迭代器。
  • 算法(Algorithms):用来处理对象集合中的元素。通过所有容器的迭代器提供一致的接口,可以多次复用算法于任意容器之上。

STL 的基本观念就是将数据和操作分离。

  • 数据由 容器 进行管理;
  • 操作由 算法进行;
  • 迭代器 在两者之间充当粘合剂,使任何 算法 都可以和任何 容器 交互运作。

三、容器(Containers)

一个容器就是一些特定类型对象的集合,是用来管理某类对象的,从C++11标准以来,C++中STL定义的几种容器的效率非常高,优化的非常好,完全没有必要自己去定义类似的数据结构,了解使用它们,可以满足90%的日常编程需要!本文是 基于C++11标准,基于《C++primer》参考 完成的。
在这里插入图片描述
常用的STL基本容器类型分为四类:

  • 顺序容器(Sequence containers),为程序员提供了控制元素存储和访问顺序的能力。顺序性容器中的每个元素均有固定的位置,取决于插入时机和地点,和元素值无关,除非用删除或插入的操作改变这个位置。
    在这里插入图片描述

  • 关联容器(Associative containers),支持高效的关键字查找和访问操作。关联容器中各元素间没有严格的物理顺序,取决于特定的排序准则以及元素值,和插入次序无关,元素是有序的集合。默认情况下,标准库使用关键字类型的 < 运算符来进行比较操作。
    在这里插入图片描述

  • 无序容器(Unordered associative container),使用 哈希函数 和关键字类型的 == 运算符组织元素。在关键字类型的元素没有明显的序关系的情况下,无序容器是非常有用的。在某些应用中,维护元素的序代价非常高昂, 此时无序容器也很有用。使用无序容器通常更为简单(通常也会有更好的性能) 。

  • 容器适配器(Adaptor),是标准库中的一个通用概念,容器、迭代器和函数都有适配器。本质上,一个适配器是一种机制,能使某种事物的行为看起来像另外一种事物一样的一种机制。适配器是容器的接口,它本身不能直接保存元素,它保存元素的机制是调用另一种顺序容器去实现,即可以把适配器看作"它保存一个容器,这个容器再保存所有元素"。

其中,STL 提供的 最常用的

  • 四个 顺序容器
    • 向量(vector)
    • 双端队列(deque)
    • 列表(list)
    • 字符串(string)
  • 四个 关联容器
    • 集合(set)多重集合(multiset)
    • 映射(map)多重映射(multimap)
  • 三种 适配器
    • 栈(stack)
    • 队列(queue)
    • 优先级队列(priority_queue)
  • 四种 无序容器
    • unordered_map
    • unordered_multimap
    • unordered_set
    • unordered_multiset

容器类自动申请和释放内存,因此无需new和delete操作。


四、顺序容器(Sequence containers)

4.1)常用操作(共同点)

1_添加元素

在这里插入图片描述

2_访问元素

在这里插入图片描述

3_删除元素

在这里插入图片描述

4_改变容器大小

在这里插入图片描述

5_容器操作可能使迭代器失效

向容器中添加或删除元素可能会使指向容器元素的指针、引用或迭代器失效。失效的指针、引用或迭代器不再表示任何元素,使用它们是一种严重的程序设计错误。

  • 向容器中添加元素后:
    • 如果容器是 vectorstring 类型,且存储空间被重新分配,则指向容器的迭代器、指针和引用都会失效。如果存储空间未重新分配,指向插入位置之前元素的迭代器、指针和引用仍然有效,但指向插入位置之后元素的迭代器、指针和引用都会失效。
    • 如果容器是 deque 类型,添加到除首尾之外的任何位置都会使迭代器、指针和引用失效。如果添加到首尾位置,则迭代器会失效,而指针和引用不会失效。
    • 如果容器是 listforward_list 类型,指向容器的迭代器、指针和引用仍然有效。
  • 从容器中删除元素后,指向被删除元素的迭代器、指针和引用失效:
    • 如果容器是 listforward_list 类型,指向容器其他位置的迭代器、指针和引用仍然有效。
    • 如果容器是 deque 类型,删除除首尾之外的任何元素都会使迭代器、指针和引用失效。如果删除尾元素,则尾后迭代器失效,其他迭代器、指针和引用不受影响。如果删除首元素,这些也不会受影响。
    • 如果容器是 vectorstring 类型,指向删除位置之前元素的迭代器、指针和引用仍然有效。但尾后迭代器总会失效。

4.2)向量(vector)

vector(向量):事实上和数组差不多,但比数组更优越,一般来说数组不能动态拓展,因此在程序运行的时候不是浪费内存,就是造成越界,而 vector 正好弥补了这个缺陷,它的特征是相当于可变大小的数组(动态数组)。由于元素是连续存储的,随机访问快,在末端插入和删除快,但在中间插入和删除慢。

优缺点:

优点:支持随机访问,即 [] 操作和 .at(),查询效率高。

缺点:当向头部或中部,插入或删除元素,插入效率低。

需要导入头文件 #include <vector>

1_定义和初始化:

在这里插入图片描述

2_简单vector操作

在这里插入图片描述

3_关键概念: vector对象能高效增长

C++标准要求 vector 应该能在运行时高效快速地添加元素,因此定义 vector 对象的大小没有必要,事实上性能可能更差,只有一种例外情况,就是所有元素的值都一样!一旦元素的值有所不同,更有效的办法是先定义一个空的 vector 对象,再在运行时向其中添加具体值。

开始的时候创建空的 vector 对象,在运行时再动态添加元素,这一做法与C语言及其他大多数语言中内置数组类型的用法不同,特别是如果用惯了C或者Java,可以预计在创建 vector 对象时顺便指定其容量是最好的,然而事实上,通常的情况是恰恰相反。

4_实例
#include <iostream>
#include <vector>
using namespace std;
int main()
{
	vector<int> ivec1;
	for (int i = 0; i<9; i++)
		ivec1.push_back(i);
	cout << ivec1.size() << endl;
	for (int i = 0; i<ivec1.size(); i++)
		cout << ivec1[i] << " ";
	cout << endl;

	system("pause");
	return 0;
}

在这里插入图片描述

4.3)双端队列(deque)

deque(双端队列):是一个更为复杂的数据结构,最大任务就是在这些分段的连续空间上,维护其整体连续的假象,并提供随机存取的接口。vector 类似,随机访问快,不过是在两端插入和删除快,但在中间插入和删除慢。

优缺点:

优点:支持随机访问,即 [] 操作和 .at(),查询效率高;当向两端,插入或删除元素,插入效率高。

缺点:当向中部,插入或删除元素,插入效率低。

需要导入头文件 #include <deque>

1_实例
#include <iostream>
#include <deque>
using namespace std;
int main()
{
	deque<int> ideq1;
	for (int i = 0; i<9; i++)
		ideq1.push_back(i);
	cout << ideq1.size() << endl;
	for (int i = 0; i<ideq1.size(); i++)
		cout << ideq1[i] << " ";
	cout << endl;

	system("pause");
	return 0;
}

在这里插入图片描述

4.4)列表(list)

list(列表):由 deque 实现而成,元素也存放在堆中。设计目的是令容器任何位置的添加和删除操作都很快速,作为代价不支持元素的随机访问——为了访问一个元素,只能遍历整个容器。

优缺点:

优点:内存不连续,动态操作,可在任意位置插入或删除且效率高。

缺点:不支持随机访问。

需要导入头文件 #include <list>

1_实例
#include <iostream>
#include <list>
using namespace std;
int main(int argc, char* argv[])
{
	list<char> ilist;
	for (char c = 'a'; c <= 'z'; ++c)
		ilist.push_back(c);
	cout << ilist.size() << endl;
	while (!ilist.empty())
	{
		cout << ilist.front() << " ";
		ilist.pop_front();
	}
	system("pause");
	return 0;
}

在这里插入图片描述

4.5)字符串(string)

string(字符串):表示可变长的字符序列,事实上和 vector 差不多。由于元素是连续存储的,随机访问快,在末端插入和删除快,但在中间插入和删除慢。

优缺点:

优点:支持随机访问,即 [] 操作和 .at(),查询效率高。

缺点:当向头部或中部,插入或删除元素,插入效率低。

需要导入头文件 #include <string>

1_定义和初始化:

在这里插入图片描述

2_简单vector操作

在这里插入图片描述

3_处理字符

在这里插入图片描述

4_额外操作

在这里插入图片描述
在这里插入图片描述
在这里插入图片描述
在这里插入图片描述

5_实例
#include <iostream>
#include <string>
using namespace std;
int main()
{
	string ivec1;
	for (int i = 0; i<9; i++)
		ivec1.push_back('i');
	cout << ivec1.size() << endl;
	for (int i = 0; i<ivec1.size(); i++)
		cout << ivec1[i] << " ";
	cout << endl;

	system("pause");
	return 0;
}

在这里插入图片描述

4.6)容器选择

容器选择原则:

  • 除非有合适的理由选择其他容器,否则应该使用 vector
  • 如果程序有很多小的元素,且空间的额外开销很重要,则不要使用 listforward_list
  • 如果程序要求随机访问容器元素,则应该使用 vectordeque
  • 如果程序需要在容器头尾位置插入/删除元素,但不会在中间位置操作,则应该使用 deque
  • 如果程序只有在读取输入时才需要在容器中间位置插入元素,之后需要随机访问元素。则:
    • 先确定是否真的需要在容器中间位置插入元素。当处理输入数据时,可以先向 vector 追加数据,再调用标准库的 sort 函数重排元素,从而避免在中间位置添加元素。
    • 如果必须在中间位置插入元素,可以在输入阶段使用 list。输入完成后将 list 中的内容拷贝到 vector 中。
  • 不确定应该使用哪种容器时,可以先只使用 vectorlist 的公共操作:使用迭代器,不使用下标操作,避免随机访问。这样在必要时选择 vectorlist 都很方便。

五、关联容器(Associative containers)

5.1)常用操作(共同点)

1_类型别名

在这里插入图片描述

2_添加元素

在这里插入图片描述

3_删除元素

在这里插入图片描述

4_访问元素

在这里插入图片描述
在这里插入图片描述

5.2)集合(set)和多重集合(multiset)

set(集合):由红黑树实现,其中每个元素只包含一个关键字并依据其值自动排序,支持高效的关键字查询操作,每个元素值只能出现一次,不允许重复。插入和删除效率比用其他序列容器高,因为对于关联容器来说,不需要做内存拷贝和内存移动。

multiset(多重集合)唯一的区别是插入的元素可以相同。

优缺点:

优点:关键字查询高效,且元素唯一,以及能自动排序。

缺点:每次插入值的时候,都需要调整红黑树,效率有一定影响。

需要导入头文件 #include <set>

1_实例
#include <iostream>
#include <set>
using namespace std;
int main(int argc, char* argv[])
{
	set<int> iset;
	iset.insert(3);
	iset.insert(1);
	iset.insert(2);
	iset.insert(1);
	set<int>::iterator it;
	cout << iset.size() << endl;
	for (it = iset.begin(); it != iset.end(); it++)
	{
		cout << *it << " ";
	}
	cout << endl;
	system("pause");
	return 0;
}

在这里插入图片描述

5.3)映射(map)和多重映射(multimap)

map(映射):由红黑树实现,其中每个元素都是一些 键值对(key-value):关键字起索引作用,值表示与索引相关联的数据。每个元素有一个键,是排序准则的基础。每一个键只能出现一次,不允许重复。插入和删除效率比用其他序列容器高,因为对于关联容器来说,不需要做内存拷贝和内存移动。

multimap(多重映射)唯一的区别是插入的元素(值)可以相同,即同一个键可以对应多个值。

优缺点:

优点:关键字查询高效,且元素唯一,以及能自动排序。把一个值映射成另一个值,可以创建字典。

缺点:每次插入值的时候,都需要调整红黑树,效率有一定影响。

需要导入头文件 #include <map>

1_实例
#include <iostream>
#include <map>
#include <string>
using namespace std;
int main(int argc, char* argv[])
{
	map<int, string> imap;
	imap.insert({ 3, "张三" });
	imap.insert({ 4, "李四" });
	imap.insert({ 1, "王二麻子" });
	imap.insert({ 2, "小淘气" });
	map<int, string>::iterator it;
	for (it = imap.begin(); it != imap.end(); it++)
	{
		printf("学号:%d 姓名:%s\n", (*it).first, (*it).second.c_str());
	}
	system("pause");
	return 0;
}

在这里插入图片描述


六、适配器(Adaptor)

6.1)常用操作(共同点)

在这里插入图片描述

6.2)栈(stack)

stack(栈)LIFO(后进先出)。

需要导入头文件 #include <stack>

1_基本操作

在这里插入图片描述

2_实例

《C++ Primer》习题参考答案:第9章 - 顺序容器 最后一题。

6.3)队列(queue)和优先级队列(priority_queue)

queue(队列)FIFO(先进先出),即普通的缓冲区(buffer)。

priority_queue(优先级队列)基于程序员提供的排序准则定义不同的优先权。

需要导入头文件 #include <queue>

1_基本操作

在这里插入图片描述
在这里插入图片描述


七、无序容器(Unordered associative container)

7.1)unordered_map/unordered_multimap

7.2)unordered_set/unordered_multiset

无序容器:在关键字类型的元素没有明显的序关系的情况下,无序容器是非常有用的。在某些应用中,维护元素的序代价非常高昂, 此时无序容器也很有用。事实上使用无序容器通常更为简单(通常也会有更好的性能) 。如果关键字类型固有就是无序的,或者性能测试发现问题可以用哈希技术解决,就可以使用无序容器。

1_常用操作(共同点)

在这里插入图片描述
通常可以用一个无序容器替换对应的有序容器,反之亦然。但是输出(通常)会不同。


八、sizeof、size和capacity

  • sizeof 操作符统计的是容器 vector<int> 的大小;
  • size() 操作符统计的是容器(vector)内元素的大小;
  • capacity 操作符统计的是容器(vector)能存储的容量大小。
#include <iostream>
#include <vector>
using namespace std;
int main(int argc, char* argv[])
{
	vector<int> ivec;
	cout << sizeof(ivec) << endl;
	cout << ivec.size() << endl;
	cout << ivec.capacity() << endl;
	for (int i = 0; i<10; i++)
		ivec.push_back(1);
	cout << sizeof(ivec) << endl;
	cout << ivec.size() << endl;
	cout << ivec.capacity() << endl;
	system("pause");
	return 0;
}

在这里插入图片描述

另外:

  • reserve() 操作符统计的是指定容器内能存储元素的数量;
  • resize() 操作符统计的是重新指定容器内有效元素的数量;

九、总结

在这里插入图片描述
最后送你两张图:

  • 第一张:
    在这里插入图片描述
  • 第二张:
    在这里插入图片描述

参考文章

我是管小亮 博客专家 发布了215 篇原创文章 · 获赞 4462 · 访问量 62万+ 他的留言板 关注

标签:容器,迭代,STL,元素,C++,vector,100,include
来源: https://blog.csdn.net/TeFuirnever/article/details/104438908

专注分享技术,共同学习,共同进步。侵权联系[admin#icode9.com]

Copyright (C)ICode9.com, All Rights Reserved.

ICode9版权所有