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【C++学习笔记】什么是C++STL?掌握C++ STL的核心很重要!

2020-11-10 13:57:11 沐歌爱编程

什么是STL?

STL(Standard Template Library),即标准模板库,是一个具有工业强度的,高效的C++程序库。它被容纳于C++标准程序库(C++ Standard Library)中,是ANSI/ISO C++标准中最新的也是极具革命性的一部分。该库包含了诸多在计算机科学领域里所常用的基本数据结构和基本算法。为广大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。

STL的一个重要特点是数据结构和算法的分离。尽管这是个简单的概念,但这种分离确实使得STL变得非常通用。例如,由于STL的sort()函数是完全通用的,你可以用它来操作几乎任何数据集合,包括链表,容器和数组;

STL另一个重要特性是它不是面向对象的。为了具有足够通用性,STL主要依赖于模板而不是封装,继承和虚函数(多态性)——OOP的三个要素。你在STL中找不到任何明显的类继承关系。这好像是一种倒退,但这正好是使得STL的组件具有广泛通用性的底层特征。另外,由于STL是基于模板,内联函数的使用使得生成的代码短小高效;

从逻辑层次来看,在STL中体现了泛型化程序设计的思想,引入了诸多新的名词,比如像需求(requirements),概念(concept),模型(model),容器(container),算法(algorithmn),迭代子(iterator)等。与OOP(object-oriented programming)中的多态(polymorphism)一样,泛型也是一种软件的复用技术;从实现层次看,整个STL是以一种类型参数化的方式实现的,这种方式基于一个在早先C++标准中没有出现的语言特性--模板(template)。


 

STL 的组成

STL有三大核心部分:容器(Container)、算法(Algorithms)、迭代器(Iterator),容器适配器(container adaptor),函数对象(functor),除此之外还有STL其他标准组件。通俗的讲:

容器:装东西的东西,装水的杯子,装咸水的大海,装人的教室……STL里的容器是可容纳一些数据的模板类。

算法:就是往杯子里倒水,往大海里排污,从教室里撵人……STL里的算法,就是处理容器里面数据的方法、操作。

迭代器:往杯子里倒水的水壶,排污的管道,撵人的那个物业管理人员……STL里的迭代器:遍历容器中数据的对象。对存储于容器中的数据进行处理时,迭代器能从一个成员移向另一个成员。他能按预先定义的顺序在某些容器中的成员间移动。对普通的一维数组、向量、双端队列和列表来说,迭代器是一种指针。

下面小编就来具体介绍一下容器、算法、迭代器、仿函数、容器适配器。


 

一、容器

容器即用来存储并管理某类对象的集合。例如鱼缸是用来盛放金鱼的容器。每一种容器都有其优点和缺点。为满足程序的各种需求,STL 准备了多种容器类型,容器可以是 arrays 或是 linked lists,或者每个元素有特别的键值。

作为STL的最主要组成部分--容器,分为向量(vector),双端队列(deque),表(list),队列(queue),堆栈(stack),集合(set),多重集合(multiset),映射(map),多重映射(multimap)。


 

二、迭代器

迭代器用于在一个对象群集的元素上进行遍历动作。对象群集可能是容器,也可能是容器的一部分。

迭代器的主要用途是为容器提供一组很小的公共接口。利用这个接口,某项操作可以行进至群集内的下一个元素。

每种容器都提供了各自的迭代器。迭代器了解该容器的内部结构,所以能够正确行进。迭代器的接口和一般指针类似。大多数的时候,把它理解为指针是没有问题的(指针是迭代器的一个特例,它也属于迭代器),但是,决不能完全这么做。


 

三、算法

算法用来处理群集内的元素,可以出于不同目的搜寻、排序、修改、使用那些元素。所有容器的迭代器都提供一致的接口,通过迭代器的协助,算法程序可以用于任意容器。

STL 的一个特性是将数据和操作分离。数据由容器类别加以管理,操作则由可定制的算法定义。迭代器在两者之间充当“粘合剂”,以使算法可以和容器交互运作。

STL 的另一个特性即组件可以针对任意型别运作。“标准模板库”这一名称即表示“可接受任意型别”的模板,并且这些型别均可执行必要操作。

在 STL 中,容器又分为序列式容器和关联式容器两大类,而迭代器的功能主要是遍历容器内全部或部分元素的对象。迭代器可划分为 5 种类属,这 5 种类属归属两种类型:双向迭代器和随机存取迭代器。

SIL 中提供的算法包括搜寻、排序、复制、重新排序、修改、数值运算等。

常见的部分算法如下:

for_each();

find();

find_if();

count();

count_if();

replace();

replace_if();

copy();

unique_copy();

sort();

equal_range();

merge();




 

四、仿函数

仿函数,又或叫做函数对象,是STL六大组件之一;仿函数虽然小,但却极大的拓展了算法的功能,几乎所有的算法都有仿函数版本。例如,查找算法find_if就是对find算法的扩展,标准的查找是两个元素相等就找到了,但是什么是相等在不同情况下却需要不同的定义,如地址相等,地址和邮编都相等,虽然这些相等的定义在变,但算法本身却不需要改变,这都多亏了仿函数。仿函数(functor)又称之为函数对象(function object),其实就是重载了()操作符的struct,没有什么特别的地方。

STL 包含了大量仿函数。仿函数可以理解为函数的一般形式。对于编程来说,仿函数非常重要,并有几种约束。在 C++ 标准中,函数调用一般使用指针,当需要调用函数时,只需要提供函数的地址即可。例如:

staticintcmp(int* i,int* j)

{

return(*i - *j);

}

上述代码定义了一个 cmp() 函数,当需要调用此函数时,只需提供函数的地址即可。例如:

qsort(a,10,sizeof(int), cmp);

此方法的最大缺陷是效率低。为提高效率,STL 定义了仿函数这种概念。下述代码定义了一个仿函数,其特征是使用 operator 实现定义。

structthree_mul

{

booloperator()(int& v)

    {

return(v%3==0)

    }

}

通过运算符定义显著提高效率。例如,

for_each (myvector.begin (), myvector.end(), three_mul);

五、容器适配器

容器适配器是一个封装了序列容器的类模板,它在一般序列容器的基础上提供了一些不同的功能。之所以称作适配器类,是因为它可以通过适配容器现有的接口来提供不同的功能。

容器适配器有 3 种,分别是 stack、queue、priority_queue:

stack<T>:是一个封装了 deque 容器的适配器类模板,默认实现的是一个后入先出(Last-In-First-Out,LIFO)的压入栈。stack 模板定义在头文件 stack 中。

queue<T>:是一个封装了 deque 容器的适配器类模板,默认实现的是一个先入先出(First-In-First-Out,LIFO)的队列。可以为它指定一个符合确定条件的基础容器。queue 模板定义在头文件 queue 中。

priority_queue<T>:是一个封装了 vector 容器的适配器类模板,默认实现的是一个会对元素排序,从而保证最大元素总在队列最前面的队列。priority_queue 模板定义在头文件 queue 中。

适配器类在基础序列容器的基础上实现了一些自己的操作,显然也可以添加一些自己的操作。它们提供的优势是简化了公共接口,而且提高了代码的可读性。

三种容器适配器提供的操作

1.stack

stack<int> s;

stack< int, vector<int> > stk;  //覆盖基础容器类型,使用vector实现stk

s.empty();  //判断stack是否为空,为空返回true,否则返回false

s.size();  //返回stack中元素的个数

s.pop();    //删除栈顶元素,但不返回其值

s.top();    //返回栈顶元素的值,但不删除此元素

s.push(item);  //在栈顶压入新元素item

2.queue & priority_queue

queue<int> q; //priority_queue<int> q;

q.empty();  //判断队列是否为空

q.size();  //返回队列长度

q.push(item);  //对于queue,在队尾压入一个新元素

              //对于priority_queue,在基于优先级的适当位置插入新元素

//queue only:

q.front();  //返回队首元素的值,但不删除该元素

q.back();  //返回队尾元素的值,但不删除该元素

//priority_queue only:

q.top();    //返回具有最高优先级的元素值,但不删除该元素

看到这里你是不是对“C++”又有了一点新的认知呢~

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