C++ STL 容器简单讲解

c++,stl,容器,简单,讲解 · 浏览次数 : 22

小编点评

**STL 中顺序容器的常见类型:** 1. **vector**:动态数组,默认使用 deque 存储元素。 2. **map**:键值对容器,键必须是无重复类型。 3. **set**:无重复类型元素的容器。 4. **multiset**:有序的哈希表,元素的顺序与插入顺序一致。 5. **unordered_map**:无排序,哈希实现。 6. **unordered_set**:无排序,哈希实现。 7. **unordered_multiset**:有序的哈希表,元素的顺序与插入顺序一致。 **迭代器:** 1. **正向迭代器**:指向容器开头和末尾的迭代器。 2. **双向迭代器**:支持向前和向后迭代的迭代器。 **其他:** * **string_view**:可以从字符串中获取子串。 * **clear**:清空容器。 * **insert**:插入元素。 * **pop_back**:从尾部删除元素。 * **erase**:删除元素。 * **resize**:调整容器的大小。 * **reserve**:预留空间。

正文

STL 简单讲解

网上有很多很好的资料可以参考

而直接看标准是最准确清晰的

  • vector
    • stack
    • queue / priority_queue
    • deque
  • array
  • map / multimap
  • set / multiset
  • unordered_map
  • unordered_set
  • 关于指针和迭代器
  • !!! pbds
  • ……

本文默认认为读者会基本的 STL 应用。

一切 STL 从 \(0\) 开始左闭右开!

顺序容器

vector 是最常用的,动态数组。

  • vector<int> v(n, 0)
  • v.reserve(n) 预分配空间,加速 push_back
  • v.push_back(x)
  • v.clear() 只是移动指针,但是不会改变占用的内存!
  • v.shrink_to_fit() 缩减内存到恰好有 v.size() 个。

其常用的复杂度如下:

  • 随机访问:\(O(1)\)
  • 末尾删除或者加入元素:均摊 \(O(1)\)
  • 插入或删除一个元素:与到 vector 末尾的距离成线性 \(O(n)\)

还有一些常用的成员函数:

  • v.at(i) 访问指定位置的元素,进行越界检查(聊胜于无)

  • v.front(), v.back() 访问开头/结尾的元素,在空容器上调用是未定义行为

  • v.empty() / v.size() / v.resize()

  • \(O(n)\) 删除/加入一个元素的写法,删除需要保证一定存在!

    v.erase(lower_bound(begin(v), end(v), x));
    v.insert(lower_bound(begin(v), end(v), x), x);
    
  • 离散化的操作? \(O(n \log n + n)\)

    sort(begin(v), end(v));
    v.erase(unique(begin(v), end(v)), end(v));
    

    begin(v)v.begin() 等价,end(v) 同理

deque 是神秘的双端队列。

与 std::vector 相反,deque 的元素不是相接存储的:典型实现用单独分配的固定尺寸数组的序列,外加额外的登记,这表示下标访问必须进行二次指针解引用,与之相比 vector 的下标访问只进行一次。

摘自 cppreference

也就是唯一与 vector 的区别在于可以 \(O(1)\)push_front() / pop_front()

其他的东西和 vector 一模一样(只是常数比较大)。

deque-alloc

stackqueue 以及 priority_queue 称为容器适配器。

该类模板表现为底层容器的包装器—,即只提供特定函数集合。

默认情况下,stackqueue 都是使用 deque 作为底层,所以常数很大。

一般来说,stack 应当用 vector 代替,queue 手写即可(除非不知道到底会有多少元素入队)。

priority_queue 底层默认是 vector,其常数仍然很大……但是还是有替代品(一般不需要)

algorithm 库中有 make_heap / push_heap / pop_heap / sort_heap 操作,但我声称没有必要。

还有三个存在感极差的顺序容器

  • array<T, N> 就是 STL 中的静态数组,一般用在套 vector 的情况:vector< array<int, 2> > f(n);
  • list / forward_list 可以用在邻接表中,但是不如用 vector 快。

在这些顺序容器上可以有一些神秘的 STL 操作:

#define all(x) begin(x), end(x)
  • auto it = find(all(v), x) \(O(n)\) 的在数组中寻找首个 \(x\) 的位置,无返回 end(v)
  • auto it = lower/upper_bound(all(v), x) \(O(\log n)\) 的在有序的数组中寻找 \(x\) 的位置。
  • int cnt = count(all(v), x) \(O(n)\) 的返回其中 \(x\) 的个数。
  • reverse(all(v)) \(O(n)\) 翻转。
  • merge(all(v1), all(v2), back_inserter(res)) \(O(n + m)\) 的归并两个有序数组
  • T res = max/min(all(v)) \(O(n)\) 的返回最大/最小元素。
  • pair<T, T> res = minmax(all(v)) \(O(n)\) 的返回一个 pair
  • iota(all(v), x) 循环赋值 \(v[i] = x + i\)
  • fill(all(v), x) / fill_n(begin(v), siz, x) 赋值。
  • ……

关联容器

分为两大类:

  • 有序 mapsetmulti...
    • 红黑树
    • 都是 \(O(\log n)\) 单次操作
  • 无序 unordered_mapunoredered_setunordered_multi...
    • 哈希表
    • 平均 \(O(1)\)最坏 \(O(n)\)

有序容器上的操作

  • s.lower_bound(x) 才是 \(O(\log n)\)
  • s.find(x) 如果没找到返回的是 end(s)
  • multiset 上执行 count 操作是 \(O(\log n + s)\) 的,\(s\) 是元素的个数。

无序上的操作

  • s.reserve(n) 预留 \(n\) 个元素的空间,减少多次插入的时间。

迭代器

有四种迭代器,但是一般只会用到一种:正向迭代器

begin(x), end(x) 返回的就是指向容器开头,末尾的迭代器。

对于顺序容器,操作返回的迭代器为 随机访问迭代器,而关联容器(和 list)返回的则是 双向迭代器

对于随机访问迭代器,我们可以 it +/- x,而双向迭代器只能 ++it / --it

对于空迭代器(例如 end(v))的操作是未定义行为,可能 RE,也可能无事发生。

vector<int> v(10, -1);
iota(begin(v), begin(v) + 5, 0);
vector<int>::iterator it = find(begin(v), end(v), 4);

// int* 也可以看作是随机访问迭代器
int a[100];
fill(a, a + 50, 7);
// for (int i = 0; i < 50; ++i) a[i] = 7;
int *it = lower_bound(a, a + 50, 8); // it == a + 50

失效的迭代器

写珂朵莉树或多或少都知道:

auto itr = split(r + 1), itl = split(l); // 顺序不能颠倒,否则可能RE

这是因为 split(r + 1) 操作可能影响到 l 所在的节点,导致迭代器失效。

不会修改容器的方法一定不会使迭代器或引用失效。修改容器内容的方法可能会使迭代器和/或引用失效。

对于 vector,后面的操作不会影响前面迭代器,如果容量变化也会失效。

vector<int> v(10);

auto it = begin(v) + 5;
v.insert(begin(v) + 7); // it 不失效
v.insert(begin(v)); // it 失效
v.resize(5) // it 失效

对于 deque,可以认为只要修改了内容迭代器就失效了。

对于 map, set, multi... 认为一直有效,除非本身被 erase 或容器被 clear

对于 unordered_... 也认为一直情况有效,除非插入导致重哈希。

STL 的字符串

读入一行:

string s;
cin >> std::ws;
getline(cin, s);

关于 std::string 的那些事……

可以 clear / insert / pop/push_back / erase / resize / reserve / ...,类似于 vector<char>

只是多了 s.substr(pos, len) 返回子串 \([pos, pos + len)\) 或者 \([pos, size())\)

\(pos \gt size()\) 时会报错(RE),复杂度与 \(len\) 成线性。

如果不需要对原字符串进行修改,但是需要获取子串,推荐 string_view

string s = "ni hao guai er zi";
string_view v(s);
string_view sub = v.substr(3, 3); // sub == "hao", O(1);
sub.remove_prefix(1); // sub == "ao", O(1);
sub.remove_suffix(1); // sub == "a", O(1);

然而,我声称可以定义广义字符串:

basic_string<int> v;
for (int i = 0; i < 5; ++i) v += i;
// v = {0, 1, 2, 3, 4}

/* 以下是 C++17 及以上的行为 */
basic_string_view<int> vi(v);
vi.remove_prefix(2);
for (int x : vi) cout << x << ' ';

与C++ STL 容器简单讲解相似的内容:

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10.1 C++ STL 模板适配与迭代器

STL(Standard Template Library)标准模板库提供了模板适配器和迭代器等重要概念,为开发者提供了高效、灵活和方便的编程工具。模板适配器是指一组模板类或函数,它们提供一种适配机制,使得现有的模板能够适应新的需求。而迭代器则是STL中的令一种重要的概念,它是一个抽象化的数据访问机制,通过迭代器可以遍历STL容器中的元素。适配器与迭代器两者的紧密配合,使得开发者能够高效地处理容器

3.1 C++ STL 双向队列容器

双向队列容器(Deque)是C++ STL中的一种数据结构,是一种双端队列,允许在容器的两端进行快速插入和删除操作,可以看作是一种动态数组的扩展,支持随机访问,同时提供了高效的在队列头尾插入和删除元素的操作。Deque 双向队列容器与Vector非常相似,它不但可以在数组尾部插入和删除元素,还可以在头部进行插入和删除,队列算法的时间复杂度也是`常数阶O(1)`,队列内部的数据机制和性能与Vecto

2.1 C++ STL 数组向量容器

Vector容器是C++ STL中的一个动态数组容器,可以在运行时动态地增加或减少其大小,存储相同数据类型的元素,提供了快速的随机访问和在末尾插入或删除元素的功能。该容器可以方便、灵活地代替数组,容器可以实现动态对数组扩容删除等各种复杂操作,其时间复杂度`O(l)常数阶`,其他元素的插入和删除为`O(n)线性阶`,其中n为容器的元素个数,vector具有自动的内存管理机制,对于元素的插入和删除可动

6.1 C++ STL 序列映射容器

Map/Multimap 映射容器属于关联容器,它的每个键对应着每个值,容器的数据结构同样采用红黑树进行管理,插入的键不允许重复,但值是可以重复的,如果使用`Multimap`声明映射容器,则同样可以插入相同的键值。Map中的所有元素都会根据元素的键值自动排序,所有的元素都是一个`Pair`同时拥有实值和键值,Pair的第一个元素被视为键值,第二个元素则被视为实值,Map 容器中不允许两个元素有相

4.1 C++ STL 动态链表容器

List和SList都是C++ STL中的容器,都是基于双向链表实现的,可以存储可重复元素的特点。其中,List内部的节点结构包含两个指针一个指向前一个节点,一个指向后一个节点,而SList只有一个指针指向后一个节点,因此相对来说更节省存储空间,但不支持反向遍历,同时也没有List的排序功能。双向链表的数据元素可以通过链表指针串接成逻辑意义上的线性表,不同于采用线性表顺序存储结构的`Vector`

5.1 C++ STL 集合数据容器

Set/Multiset 集合使用的是红黑树的平衡二叉检索树的数据结构,来组织泛化的元素数据,通常来说红黑树根节点每次只能衍生出两个子节点,左面的节点是小于根节点的数据集合,右面的节点是大于根节点的集合,通过这样的方式将数据组织成一颗看似像树一样的结构,而平衡一词的含义则是两边的子节点数量必须在小于等1的区间以内。Set集合天生去重,所有元素都会根据元素的键值自动的排序,并且Set元素在确定后无法

1.1 C++ STL 字符串构造函数

String 字符串操作容器是C++标准中实现的重要容器,其主要用于对字符串的高效处理,它和C风格中的`string.h`并不是同一个库,两个库有极大的差距,C库中的`string.h`主要面向过程提供一些处理函数,而C++库中的`string`则是基于类实现的更高效的一种字符串处理方法集,类中提供了非常方便的成员函数供我们使用.

11.1 C++ STL 应用字典与列表

C++ STL 标准模板库提供了丰富的容器和算法,这些模板可以灵活组合使用,以满足不同场景下的需求。本章内容将对前面学习的知识进行总结,并重点讲解如何灵活使用STL中的vector和map容器,以及如何结合不同的算法进行组合。通过灵活组合使用这些容器和算法,能够满足不同场景下的需求,实现高效的数据处理和操作。STL的设计思想是将数据结构和算法进行分离,使得开发者能够更加专注于解决问题,提高了代码的

8.1 C++ STL 变易拷贝算法

C++ STL中的变易算法(Modifying Algorithms)是指那些能够修改容器内容的算法,主要用于修改容器中的数据,例如插入、删除、替换等操作。这些算法同样定义在头文件 algorithm中,它们允许在容器之间进行元素的复制、拷贝、移动等操作,从而可以方便地对容器进行修改和重组。