C++ 标准模板库 (STL)- 学习推荐

STL 最初由 Alexander Stepanov 设计，后来在 C++ 98 中被接受为 C++ 标准的一部分。它是一个通用库，因此我们可以将它用于几乎所有数据类型，而无需重复实现代码。

推荐参考：C++ Standard Template Library (STL) - GeeksforGeeks

STL 的组件

STL的组件是C++中的标准模板库（STL）提供的功能，可分为4种类型：

1. 容器
2. 算法
3. 迭代器
4. 函子

这些组件设计得高效、灵活、可重用，使其成为现代 C++ 编程不可或缺的一部分。

容器

容器是根据需要用于存储对象和数据的数据结构。每个容器都作为模板类实现，还包含对其执行基本操作的方法。每个 STL 容器都在其自己的头文件中定义。

容器可进一步分为 4 种类型：

1. 序列容器
2. 容器适配器
3. 关联容器
4. 无序关联容器

如果您想深入研究 STL 并了解其全部潜力，我们的完整 C++ 课程提供了掌握 STL 提供的容器、迭代器和算法的完整指南。

序列容器

序列容器以线性方式存储数据。它们还用于实现容器适配器。C
++ STL 中有 5 种序列容器：

1. 数组：STL 数组是编译时不可调整大小的数组的实现。它包含各种常见数组操作的方法。
2. 向量：STL 向量可以定义为动态大小数组，当添加或删除新元素时可以自动调整大小。
3. 双端队列：双端队列或双端队列是具有两端扩展和收缩功能的序列容器。这意味着我们可以在两端添加和删除数据。
4. 列表：与向量不同，列表容器将数据存储在非连续内存中，并且仅提供对存储数据的顺序访问。它基本上实现了双向链表。
5. 前向列表：前向列表也像列表一样以顺序方式存储数据，但不同之处在于前向列表仅存储序列中下一个元素的位置。它实现了单链表。

容器适配器

容器适配器是 STL 容器的一种，它可以调整现有的容器类以满足特定的需求或要求。C
++ STL 中有 3 个容器适配器：

1. 堆栈： STL 堆栈遵循元素插入和删除的后进先出 (LIFO) 原则。此外，这些操作仅在堆栈的一端执行。
2. 队列： STL 队列遵循先进先出 (FIFO) 原则，即先插入的元素先被移除，最后插入的元素最后被移除。它默认使用双端队列容器。
3. 优先级队列： STL 优先级队列不遵循任何 FIFO 或 LIFO 原则，但元素的删除是根据其优先级进行的。因此，默认情况下，优先级最高的元素总是首先被删除。默认情况下，它使用向量作为底层容器。

关联容器

关联容器是一种根据键而不是插入顺序按排序顺序存储元素的容器。C
++ STL 中有 4 种关联容器：

1. 集合：STL 集合是一种关联容器，其中每个元素必须是唯一的，因为元素的值可以标识它。默认情况下，值按升序存储。
2. Maps：STL Maps 是关联容器，以键值对的形式存储元素。键必须是唯一的，容器根据键的值进行排序。
3. Multisets：STL Multiset 与集合容器类似，只是它可以存储重复的值。
4. Multimaps：STL Multimap 类似于地图容器，但允许多个映射值具有相同的键。

无序关联容器

无序关联容器以无特定顺序存储数据，但它们允许在 STL 中的所有容器类型中执行最快的插入、删除和搜索操作。C
++ STL 中有 4 种无序关联容器：

1. 无序集：STL 无序集以哈希表的形式存储唯一键。顺序是随机的，但插入、删除和搜索都很快。
2. 无序多集：STL 无序多集的工作方式与无序集类似，但可以存储同一键的多个副本。
3. 无序映射：STL 无序映射将键值对存储在哈希表中，其中对键进行哈希处理以找到存储位置。
4. 无序多映射：STL 无序多映射容器与无序映射类似，但它允许多个值映射到同一个键。

算法

STL 算法提供了广泛的函数来对数据（主要是容器）执行常见操作。这些函数实现了算法的最高效版本，可用于对容器中的数据进行排序、搜索、修改和操作等任务。所有 STL 算法均在<algorithm>和<numeric>头文件中定义。STL
算法没有正式的分类，但我们可以根据它们执行的操作类型将它们分为两类：

操控算法

操作算法执行修改给定容器的元素或重新排列其顺序的操作。
一些常见的操作算法包括：

• copy：将特定数量的元素从一个范围复制到另一个范围。
• fill：为一定范围内的所有元素分配指定的值。
• transform：将函数应用于一个范围中的每个元素，并将结果存储在另一个范围中。
• replace：用新值替换范围内出现的所有特定值。
• swap：交换两个变量的值。
• reverse：反转范围内元素的顺序。
• rotate：旋转一定范围内的元素，使得特定元素成为第一个。
• remove：从范围内删除具有指定值的所有元素，但不减小容器大小。
• unique：从某个范围内删除连续重复的元素。

非操纵算法

非操作算法是标准模板库 (STL) 提供的一种算法，它对一定范围内的元素进行操作，而不会改变元素的值或元素的顺序。
以下是 STL 非操作算法的几个示例：

• max_element：查找给定范围内的最大元素。
• min_element ：查找给定范围内的最小元素。
• 累积：求出给定范围的元素之和。
• count：计算范围内给定元素的出现次数。
• find：返回指向范围内某个元素第一次出现的迭代器。
• is_permutation：检查一个范围是否是另一个范围的排列。
• is_sorted：检查范围内的元素是否按非降序排序。
• partial_sum：计算一定范围内元素的累积和。

迭代器

迭代器是用于指向 STL 容器内存地址的指针类对象。它们是将 STL 算法与容器连接起来的最重要组件之一。迭代器在<iterator>头文件中定义。

在 C++ STL 中，迭代器有 5 种类型：

1. 输入迭代器：输入迭代器可用于从序列中读取一次值并且仅向前移动。
2. 输出迭代器：输出迭代器可用于将值写入序列一次并且仅向前移动。
3. 前向迭代器：前向迭代器结合了输入和输出迭代器的特点。
4. 双向迭代器：双向迭代器支持前向迭代器的所有操作，另外还可以向后移动。
5. 随机访问迭代器：随机访问迭代器支持双向迭代器的所有操作，并提供对元素的有效随机访问。

函子

函子是可以当作函数来处理的对象。函子最常与 STL 算法一起使用。它重载 函数调用运算符，并允许我们像使用函数一样使用对象。C++ STL 中有许多预定义的函子，它们在< functional >头文件 中定义。 ()

根据函子执行的运算符类型，函子可以分为多种类型：

1. 算术函子
2. 关系函子
3. 逻辑函子
4. 按位函数

算术函子

• 加法 –返回两个参数的总和。
• 减号 –返回两个参数的差值。
• 乘法——返回两个参数的乘积。
• 除法 –返回两个参数相除后的结果。
• 模数 –返回两个参数相除后的余数。
• negate –返回参数的取反值。

关系函子

• equal_to – 如果两个参数相等，则返回 true。
• not_equal_to – 如果两个参数不相等，则返回 true。
• greater – 如果第一个参数大于第二个参数，则返回 true。
• greater_equal – 如果第一个参数大于或等于第二个参数，则返回 true。
• less – 如果第一个参数小于第二个参数，则返回 true。
• less_equal – 如果第一个参数小于或等于第二个参数，则返回 true。

逻辑函子

• logical_and – 返回两个参数的逻辑与运算的结果。
• logical_or – 返回两个参数的逻辑或运算的结果。
• logical_not – 返回参数逻辑非运算的结果。

按位函数

• bit_and – 返回两个参数按位与运算的结果。
• bit_or –返回两个参数按位或运算的结果。
• bit_xor –返回两个参数的按位异或运算的结果。

实用程序和内存库

实用程序库是标准模板库 (STL) 提供的实用程序组件的集合，不属于上述类别。它提供各种功能，例如对、元组等。

内存库包含帮助用户有效管理内存的函数，例如 std::move、智能指针等。

1. Pair：用于存储和操作异构数据的容器。
2. 移动语义：它允许将资源从一个对象转移到另一个对象而无需复制。
3. 智能指针：它们是原始指针的包装器，有助于避免与指针相关的错误。
4. 实用函数：C++ 中的实用函数提供诸如 std::forward 之类的重要操作，以促进高效、通用和安全的代码操作。
5. 整数序列：启用编译时生成整数序列，在元编程中很有用。

C++ 标准模板库 (STL) 的优点

STL 的主要优势在于，它提供了一种编写通用、可重复使用的代码和经过测试的代码的方法，这些代码可以应用于不同的数据类型。这意味着您可以编写一次算法，然后将其用于其他类型的数据，而无需为每种类型编写单独的代码。
其他优势包括：

• STL 通过可定制的模板、函子和 lambda 提供灵活性。
• 预先实现的工具让您专注于解决问题而不是低级编码。
• STL 处理内存管理，从而减少内存泄漏等常见错误。

C++ 标准模板库 (STL) 的局限性

C++ 标准模板库 (STL) 的主要限制是性能开销。虽然 STL 针对一般用例进行了高度优化，但与定制和专用解决方案相比，其通用性质可能导致内存使用效率较低且执行时间较短。
其他限制包括：

• 调试的复杂性。
• 缺乏对内存管理的控制。
• 对并发编程的支持有限。
• 自定义数据结构集成的灵活性有限。

尽管存在这些限制，STL 仍然是 C++ 编程中不可或缺的一部分，提供了各种强大而灵活的工具。

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