C++ STL容器

序言

C++ 语言的核心优势之一就是便于软件的重用。C++ 中有两个方面体现重用:

  • 一是面向对象的继承和多态机制

  • 二是通过模板的概念实现了对泛型程序设计的支持

C++ 的标准模板库(Standard Template Library,STL)是泛型程序设计最成功应用的实例。STL 是一些常用数据结构(如链表、可变长数组、排序二叉树)和算法(如排序、查找)的模板的集合。

有了 STL,程序员就不必编写大多数常用的数据结构和算法。而 STL 是经过精心设计的,运行效率很高,比水平一般的程序员编写的同类代码速度更快。

有一种说法,C++ 是用来编写大程序的,如果只是编写几十上百行的小程序,用 C 语言就可以,没有必要用 C++。

这个说法是不准确的。可以说,小程序没必要用面向对象的方法,但是用 C++ 还是能够带来很大方便的,因为 C++ 中有 STL。哪怕编写只有十几行的程序,也可能会用到 STL 中提供的数据结构和算法。例如对数组排序,用 STL 中的 sort 算法往往只需要一条语句就能解决,而不用像 C 语言库函数 qsort 那样还要编写比较函数。

容器

容器(container)用于存放数据的类模板。可变长数组、链表、平衡二叉树等数据结构在 STL 中都被实现为容器。

程序员使用容器时,即将容器类模板实例化为容器类时,会指明容器中存放的元素是什么类型的。

容器中可以存放基本类型的变量,也可以存放对象。对象或基本类型的变量被插入容器中时,实际插入的是对象或变量的一个复制品。

STL 中的许多算法(即函数模板),如排序、查找等算法,在执行过程中会对容器中的元素进行比较。这些算法在比较元素是否相等时通常用运算符进行,比较大小通常用 < 运算符进行,因此,被放入容器的对象所属的类最好重载 ==< 运算符,以使得两个对象用 ==< 进行比较是有定义的。

容器分类两大类

顺序容器

顺序容器有以下三种:可变长动态数组 vector、双端队列 deque、双向链表 list。

它们之所以被称为顺序容器,是因为元素在容器中的位置同元素的值无关,即容器不是排序的。将元素插入容器时,指定在什么位置(尾部、头部或中间某处)插入,元素就会位于什么位置。

关联容器

关联容器有以下四种:set、multiset、map、multimap。关联容器内的元素是排序的。插入元素时,容器会按一定的排序规则将元素放到适当的位置上,因此插入元素时不能指定位置。

默认情况下,关联容器中的元素是从小到大排序(或按关键字从小到大排序)的,而且用 < 运算符比较元素或关键字大小。因为是排好序的,所以关联容器在查找时具有非常好的性能。

除了以上两类容器外,STL 还在两类容器的基础上屏蔽一部分功能,突出或增加另一部分功能,实现了三种容器适配器:栈 stack、队列 queue、优先级队列 priority_queue。

容器都是类模板。它们实例化后就成为容器类。用容器类定义的对象称为容器对象。

例如,vector<int> 是一个容器类的名字,vector<int> a; 就定义了一个容器对象 a,a 代表一个长度可变的数组,数组中的每个元素都是 int 类型的变量;vector<double> b; 定义了另一个容器对象 b,a 和 b 的类型是不同的。本教程后文所说的 “容器”,有时候也指 “容器对象”。

任何两个容器对象,只要它们的类型相同,就可以用 <、<=、>、>=、!= 进行词典式的比较运算。假设 a、b 是两个类型相同的容器对象,这些运算符的运算规则如下。

  • a == b: 若 a 和 b 中的元素个数相同,且对应元素均相等,则 a == b 的值为 true,否则值为 false。元素是否相等使用 == 运算符进行判断的。

  • a < b: 规则类似于词典中两个单次比较大小,从头到位依次比较每个元素,如果发生 a 中的元素小于 b 中元素的情况,则 a < b 的值为 true;如果没有发生 b 中的元素小于 a 中的元素的情况,且 a 中的元素个数比 b 少,a < b 的值也为 true;其他情况下值为 false。元素比较大小是通过 < 运算符进行的。

  • a != b: 等价于 !(a == b)

  • a > b: 等价于 b < a

  • a <= b: 等价于 !(b < a)

  • a >= b: 等价于 !(a < b)

所有容器都有以下两个成员函数:

  • int size(): 返回容器中元素的个数。

  • bool empty(): 判断容器对象是否为空。

顺序容器和关联容器还有以下成员函数:

  • begin(): 返回指向容器中第一个元素的迭代器。

  • end(): 返回指向容器中最后一个元素后面的位置的迭代器。

  • rbegin(): 返回指向容器中最后一个元素的反向迭代器。

  • rend(): 返回指向容器中第一个元素前面的位置的反向迭代器。

  • erase(...): 从容器中删除一个或几个元素。该函数参数比较复杂,此处省略。

  • clear(): 从容器中删除所有元素。

如果一个容器是空的,则 begin()end() 的返回值相等,rbegin()rend() 的返回值也相等。

顺序容器还有以下常用成员函数:

  • front(): 返回容器中第一个元素的引用。

  • back(): 返回容器中最后一个元素的引用。

  • push_back(): 在容器末尾增加新元素。

  • pop_back(): 删除容器末尾的元素。

  • insert(...): 插入一个或多个元素。该函数参数较复杂,此处省略。