【C++的探索路20】标准模板库STL之STL的基本概念与容器

Introduction

重用性是C++语言的核心优势，C++的重用性能够体现在两个方面
1，面向对象的继承和多态机制。
2，通过模板实现泛型编程。

STL的全称为Standard Template Library，为一些常用数据结构的模板集合。本章内容，可能。。。有点抽象。。。。也有点杂。。。。。但也许就是STL的魅力吧。。。。。。

看一下本章内容



依据内容相关性，本章分为四个部分，本篇内容涉及STL的基本概念以及容器的一些基本内容。

STL中的基本概念

STL有三个基本概念：容器，迭代器和算法

容器（container）

顾名思义：放东西的地方，比如可变长数组、链表等数据结构。
具体定义为：用于存放数据的类模板。由于是一个数据结构，需要经常进行大小比较，所以一般需要重载==及<两种运算符。

分类

容器的具体分类为：
顺序容器
关联容器
容器适配器

顺序容器的顺序指的是位置的顺序:什么地方插入元素，元素就在什么地方。该容器为非排序容器，包含三种容器：
vector(可变长数组)
deque（双端队列）
及list（双向链表）。

关联容器则为排序容器，插入元素时，容器会按照一定的排序规则被放在适当的位置上。关联容器包含集合与映射两类容器，下面又细分为四种容器。
这部分后面会进行介绍，由于关联容器为排序容器，因此在数据查找的时候具备优良的功能。

容器适配器的作用则是继承了顺序容器和关联容器的内容；屏蔽一些功能，突出另外一些功能。内容为栈stack,队列queue,优先级队列priority_queue。

相关成员函数及容器成员函数

见下图

迭代器(iterator)

1，迭代器为存取容器中存放的元素的工具，相当于指针，它的作用相当于容器和操纵容器的算法之间的一个中介；迭代器按照定义方式分为4种：
正向迭代器，常量正向迭代器；反向迭代器，常量反向迭代器.

正向迭代器的定义方法为
容器类名::iterator 迭代器名;

反向迭代器的定义方法为
容器类名::reverse_iterator 迭代器名;

2，容器适配器没有迭代器，其自带一些成员函数进行访问。

迭代器用法示例

通过迭代器遍历一个vector容器中的所有元素

#include<iostream>
#include<vector>
using namespace std;

int main()
{
vector<int>v;
for (int n = 0; n < 5; ++n)
v.push_back(n);
vector<int>::iterator i;
for (i = v.begin(); i < v.end(); ++i) {
cout << *i << " ";
*i *= 2;
}
cout << endl;
for (vector<int>::reverse_iterator j = v.rbegin(); j != v.rend(); ++j)
cout << *j << " ";
return 0;
}

1，程序中定义了一个vector<int>类型的动态数组v,通过push_back()函数进行内容写入，写入内容为0~4
2，通过正向迭代器进行循环输入，v.begin()指向首地址，v.end()指向尾地址，在循环内部首先进行输出，然后再对该位置的值进行翻倍操作，所以，输出 0 1 2 3 4
3，第二个循环调用反向迭代器进行操作，对vector内部元素进行反向输入，注意：此时vector内部成员翻倍了，不是0 1 2 3 4，而是 0 2 4 6 8;并且是反向迭代器操作，因此，输出结果为 8 6 4 2 0

迭代器功能分类

常用迭代器按功能强弱可分为：输入、输出、正向、双向和随机访问5种，书中只介绍了后三种
正向迭代器
支持前后向的自增操作及指针访问，并且两个正向迭代器可以相互赋值。
双向迭代器
具备正向迭代器的所有功能，并且支持自减操作
随机访问迭代器
支持上面所有功能，并且类似于指针，支持+=,-=,[]操作，此外随机访问迭代器还支持大小比较操作，这一点是非常重要的。

比如vector和deque支持随机访问迭代器等

由于vector支持的迭代功能多，下面例子就对vector进行分析

int main() {
vector<int>v(100);
for (int i = 0; i < v.size(); ++i)
cout << v[i];
vector<int>::iterator i;
for (i = v.begin(); i < v.end(); ++i)
cout << *i;
for (i = v.begin(); i != v.end(); ++i)
cout << *i;
i = v.begin();
while (i < v.end()) {
cout << *i;
i += 2;
}
return 0;
}

联系上面的内容：随机访问迭代器支持大小比较操作，所以可以写成i<v.end()的形式，如果为仅支持双向迭代器的list<int>则将会出现错误，因为list不支持<,>运算

迭代器辅助函数

主要有三个函数模板用于操作迭代器：

1,advance(p,n) 用于迭代器前后移动n个元素

2,distance(p,q) 用于计算两个迭代器之间的距离

3, iter_swap(p,q) 交换两个迭代器p,q指向的值

注意，使用这些辅助函数，需要include头文件<algorithm>

int main() {
int a[5] = { 1,2,3,4,5 };
list<int>lst(a, a + 5);
list<int>::iterator p = lst.begin();
advance(p, 2);
cout << "1)" << *p << endl;
advance(p, -1);
cout << "2)" << *p << endl;
list<int>::iterator q = lst.end();
q--;
cout << "3)" << distance(p,q) << endl;
cout << "4)" << *q << endl;
for (p = lst.begin(); p != lst.end(); ++p) {
cout << *p << endl;
}
return 0;
}

程序解析：

以上程序为迭代器的辅助函数示例

首先用a数组给双向链表对象:lst赋值。

然后正向迭代器list<int>::iterator p指向链表的首地址。

迭代器p首先通过advance函数模板，后向移动2个单位：指向a[2]，即输出3

而后p向后移动一个单位，指向a[1]，输出2

然后定义了迭代器q，指向lst的最后一个元素的后一个位置的迭代器（一定要注意，end()是彻底抄底），然后进行q--,指向最后一个元素a[4]。

此时输出distance(p,q)也就是a[1]->a[4]的距离：3

整体输出：

1) 3

2) 2

3) 3

4) 5

1

2

3

4

5

算法(algorithm)

这个相对就更简单了：运算方式。算法的实质是函数模板，算法通过迭代器来操纵容器中的元素；很多算法操作的说容器的一个区间，因此需要两个参数进行位置确定。

例子：int array[10]就是一个容器, int*为迭代器， sort(array,array+10)中的sort就是算法。
来个find函数模板，find函数模板的原型如下

template<class InIt, class T>
InIt find(InIt first, InIt last, const T&val)

find函数的功能可以是：
在迭代器first和last指定的容器区间[first, last)中，按顺序查找和val相等的元素，如果找到，则返回该元素的迭代器；如果找不到，返回last。
因此，find判断元素相等是用"=="运算符作比较的，如果[first,last)中存放的为对象，那么应当对“==”适当重载。

另外，上面标注了可以是，而不是其功能就是，因为这种代码完成什么功能，取决于程序员的想象力。
来一个find算法的例子。

int main() {
int a[10] = { 10,20,30,40 };
vector<int>v;
v.push_back(1); v.push_back(2);
v.push_back(3); v.push_back(4);
vector<int>::iterator p;
p = find(v.begin(), v.end(), 3);
if (p != v.end())
cout << "1)" << *p << endl;
p = find(v.begin(), v.end(), 9);
if (p == v.end())
cout << "not found" << endl;
p = find(v.begin() + 1, v.end() - 1, 4);
cout << "2)" << *p << endl;
int *pp = find(a, a + 4, 20);
if (pp == a + 4)
cout << "not found" << endl;
else
cout << "3)" << *pp << endl;
return 0;
}

程序定义：
该程序首先定义了一个容量为10的int数组a,并且依次赋值10,20,30,40。
接着定义了一个内部元素类型为int动态数组v，并通过push_back()函数进行赋值。
第三次则定义一个vector<int>类型的迭代器p。
find():
1，在动态数组v内寻找元素3，如果没有到底，则输出p，因此输出1） 3
2，在动态数组里寻找9，显然不存在，因此应当输出not found
3，在动态数组第二个到最后一个元素中寻找4，显然存在：2) 4
4，在数组a内寻找20，如果到了末尾没找到则not found,但显然是有的，因此输出3) 20

函数对象

函数对象的实质为运算符()的重载，但和前面的运算符重载略有不同，由于()是目数不限的运算符，所以函数对象能允许多个参数的输入。
具体例子如下：

class CAverage {
public:
double operator()(double a1, double a2, double  a3) {
return double(a1 + a2 + a3) / 3;
}
};
int main() {
CAverage a;
cout << a(2, 3, 4) << endl;
return 0;
}

函数对象用法之accumulate算法

template<class T>
void PrintInterval(T first, T last) {
for (; first != last; ++first)
cout << *first << " ";
cout << endl;
}
int SumSquares(int total, int value) {
return total + value*value;
}
template<class T>
class SumPowers {
private:
int power;
public:
SumPowers(int p):power(p){}
const T operator()(const T&total, const T&value) {
T v = value;
for (int i = 0; i < power - 1; ++i)
v = v*value;
return total + v;
}
};

int main() {
const int SIZE = 10;
int a1[] = { 1,2,3,4,5,6,7,8,9,10 };
vector<int>v(a1, a1 + SIZE);
cout << "1)";
PrintInterval(v.begin(), v.end());
int result = accumulate(v.begin(), v.end(), 0, SumSquares);
cout << "2)平方和：" << result << endl;
result = accumulate(v.begin(), v.end(), 0, SumPowers<int>(3));
cout << "3)立方和：" << result << endl;
return 0;
}

accumulate算法的基本形式为

template<class InIt, class T, class Pred>
T accumulate(InIt first,InIt last, T init, Pred op){
for(; first!=last;++first)
init=op(init,*first);
return init;
}

该算法的形参中共包含四个参数，前两个参数为InIt类型的迭代器，第三个参数为起始值，第四个参数为程序员自己需要定义的op。

由于op的调用形式为op(init,*first)，因此op只能为函数指针或者函数对象。
first为指向首元素的指针，在内部实现逐级递增。

比如我们要实现平方和相加的函数，则可以定义一个SumPowers的函数指针如下：

int SumSquares(int init, int value) {
return init + value*value;
}

如果我们需要实现N次方的相加，比如给出SumPowers<int>(3)的形式来计算立方和相加，那么应该怎么定义SumPowers类？
SumPowers<int>(3)为一个实例化对象，需要首先定义SumPower类模板，类模板的内部包含构造函数，能够进行相应的赋值：
类模板初期定义如下：

template<class T>
class SumPowers {
private:
int power;
public:
SumPowers(int p) :power(p) {};
};

接着完善函数功能，回到accumulate的定义形式：需要定义一个函数对象或者函数指针方能完成accumulate的任务。

函数对象的定义方式见运算符重载的方式：

T operator()(const T &init, const T &value) {
T val = value;
for (int i = 0; i < power-1; ++i)
val = val*value;
return init +  val;
}

函数对象应用实例： sort算法

Basic knowledges

STL中排序模板能将区间从小到大排序，sort有两种版本
一版本：

template<class _RandIt>
void sort(_RandIt first,_RandIt last)

该函数模板可以将区间为[first,last)的元素进行从小到大排序
要求：
1，first,last应该为随机访问迭代器
2，元素大小比较通过<来进行（因此，必须重载<运算符）

二版本

template<class _RandIt,class Pred>
void sort(_RandIt first, _RandIt last,Pred op)

该函数模板比较大小是通过函数对象op进行实现的，在op内部定义了元素大小比较的规则。

using namespace std;
template<class T>
void PrintInterval(T first, T last) {
for (; first != last; ++first)
cout << *first << " ";
cout << endl;
}
class A {
public:
int v;
A(int n):v(n){}
};
bool operator<(const A&a1, const A&a2) {
return a1.v < a2.v;
}
bool GreatA(const A&a1, const A&a2) {
return a1.v > a2.v;
}
struct LessA {
bool operator()(const A&a1, const A&a2) {
return (a1.v % 10) < (a2.v % 10);
}
};
ostream &operator<<(ostream&o, const A&a) {
o << a.v;
return o;
}
int main() {
int a1[4] = { 5,2,4,1 };
A a2[5] = { 13,12,84,9,13 };
sort(a1, a1 + 4);
cout << "1)"; PrintInterval(a1, a1 + 4);
sort(a2, a2 + 5);
cout << "2)"; PrintInterval(a2, a2 + 5);
sort(a2, a2 + 5,GreatA);
cout << "3)"; PrintInterval(a2, a2 + 5);
sort(a2, a2 + 5, LessA());
cout << "4)"; PrintInterval(a2, a2 + 5);
return 0;
}

完整程序如上述所示，先从主程序进行分析：
主程序共定义两个对象，一个对象为整形数组a1，另个对象为A类型的数组a2；所以第一步应该定义A类。

class A{
public:
int v;
A(int n):v(n){}
};

在sort排序方面，前两个调用了I类sort函数，而A类的大小比较形式没有给出；第二步应当重载<运算符进行大小比较。

bool operator<(A &a1,A &a2) {
return a1.num < a2.num;
}

除此之外，还需要对排序后的数组进行打印操作，而打印又不限定于整形；故，第三步应为定义函数模板PrintInterval

template<class T>
void PrintInterval(T first, T last) {
for (; first != last; ++first)
cout << *first << " ";
cout << endl;
}

直接打印A对象显然不可行，所以需要重载<<运算符：

ostream& operator << (ostream&o,const A&a) {
o << a.num;
return o;
}

进入到第三次排序，需要定义个GreatA进行从小到大的排序，这个也简单：定义bool类型的反向比较就行：

bool GreatA(A&a1,A&a2) {
return a1.num > a2.num;
}

最后一次排序调用了LessA()使得末尾从小到大排列，而这个时候是LessA()，而不是LessA，说明定义了一个函数对象。
在这里就搞个结构体吧：

struct LessA {
bool operator()(const A&a1, const A&a2) {
return (a1.num % 10) < (a2.num % 10);
}
};

本章回顾

本部分的内容有点多和杂，由于STL是建立在函数模板的基础上的一种神器，并且其对语法的要求不高，关键是多加练习，所以在这里就略过了一些内容。
STL总共有三个重要的概念：容器，迭代器和算法。
容器就是未定数据类型的家，迭代器相当于指针，算法则是告诉我们这些东西是怎么去算的。

容器依据其性质可以分为顺序容器，关联容器和容器适配器。
顺序容器是指插入顺序，而不是大小顺序，所以顺序容器为非排序容器，其中典型的容器有vector,deque和list。
关联容器则为排序容器。
容器适配器则在顺序容器和关联容器的基础上屏蔽了一些性质，突出了一些性质。

函数对象实质上就是()运算符的重载，区别于前面较少参数的运算符重载，()没有参数个数的要求，可以重载携带多个形参，在STL中()的重载则发挥了极大的作用。

到这里，C++探索路的基本系列的学习部分就结束了，接下来的几课，将为c++的练习题。