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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 == 和 < 运算符，以使得两个对象用 == 和 < 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() 和 end() 的返回值相等，rbegin() 和 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。

STL 提供能在各种容器中通用的算法（大约 70 种），如插入、删除、查找、排序等。算法就是函数模板。算法通过迭代器来操纵容器中的元素。

许多算法操作的是容器上的一个区间（也可以是整个容器），因此需要两个参数，一个是区间起点元素的迭代器，另一个是区间终点元素的后面一个元素的迭代器。例如，排序和查找算法都需要这两个参数来指明待排序或待查找的区间。

有的算法返回一个迭代器。例如，find 算法在容器中查找一个元素，并返回一个指向该元素的迭代器。

算法可以处理容器，也可以处理普通的数组。

有的算法会改变其所作用的容器。例如：

• copy：讲一个容器的内容复制到另一个容器。

• remove：在容器中删除一个元素。

• random_shuffle：随机打乱容器中的元素

• fill：用某个值填充容器。

有的算法不会改变其所作用的容器。例如：

• find：在容器中查找元素。

• count_if：统计容器中符合某种条件的元素的个数。

STL 中的大部分常用算法都在头文件 algorithm 中定义。此外，头文件 numeric 中也有一些算法。

下面介绍一个常用算法 find，以便对算法是什么、怎么用有一个基本的概念。find 算法和其他算法一样都是函数模板。find 模板的原型如下：

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

其功能可以是在迭代器 first、last 指定的容器的一个区间[first, last) 中，按顺序查找和 val 相等的元素。如果找到，就返回该元素的迭代器；如果找不到，就返回 last。

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[first, last) 这个区间是一个坐闭右开的区间，即 last 指向的元素其实不在此区间内。

find 模板使用 == 运算符判断元素是否相等。因此，如果 [first, last) 区间中存放的是对象，则 == 运算符应该被适当重载，使得两个对象可以用 == 运算符比较。

注意：上一段话说的是 "其功能可以是"，而不是 "其功能就是"。这是因为模板只是一种代码形式，这种代码形式具体能完成什么功能，取决于程序员对该模板写法的了解及其想象力。按照语法，调用 find 模板时，first 和 last 只要类型相同就可以，不一定必须是迭代器。

演示 find 用法的程序如下：

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#include<vector>
#include<algorithm>
#include<iostream>
using namespace std;
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); // 在 v 中查找 3
    if (p != v.end()) // 若找不到，find 返回 v.end()
        cout << "1)" << *p << endl; // 找到了
    p = find(v.begin(), v.end(), 9);
    if (p == v.end())
        cout << "not found " << endl; // 没找到
    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;
}

输出：

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4

1)3
not found 
2)4
3)20

第 11 行，要查找的区间是 [v.begin(), v.end())，v.end() 不在查找范围内，因此没有问题。本行的查找会成功，因此 p 指向找到的元素 3。

第 17 行，因为要查找的区间是 [v.begin() + 1, v.end() - 1)，这个区间中只有 2、3 这两个元素，因此会查找失败，p 的值变为 v.end() - 1，因此 p 正好指向 4 这个元素。

第 19 行，数组 a 是一个容器。数组名 a 的类型是 int，可以做迭代器使用，表达式 a + 4 的类型也是 int，因此也能做迭代器。本次调用 find，查找区间是 [a, a + 4)，即数组 a 的前 4 个元素。如果查找失败，find 就会返回 a + 4。

STL 中还有一个常用的算法 sort，对于容器排序，其原型为：

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template<class_RandIt>
void sort(_RandIt first, _RandIt last);

该算法可以用来对区间 [first, last) 从小到大进行排序。下面两行程序就能对数组 a 排序：

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int a[4] = {3, 4, 2, 1};
sort(a, a + 4);

要访问顺序容器和关联容器中的元素，需要通过 "迭代器（iterator）" 进行。迭代器是一个变量，相当于容器和操纵容器的算法之间的中介。迭代器可以指向容器中的某个元素，通过迭代器就可以读写它指向的元素。从这一点上看，迭代器和指针类似。

迭代器按照定义方式分成以下四种。

1. 正向迭代器，定义方法如下：

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容器类名::iterator 迭代器名;

2. 常量正向迭代器，定义方法如下：

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容器类名::const_iterator 迭代器名;

3. 反向迭代器，定义方法如下:

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容器类名::reverse_iterator 迭代器名;

3. 常量反向迭代器，定义方法如下:

1

容器类名::const_reverse_iterator 迭代器名;

迭代器用法示例

通过迭代器可以读取它指向的元素，*迭代器名 就表示迭代器指向的元素。通过非常量迭代器还能修改其指向的元素。

迭代器都可以进行 ++ 操作。反向迭代器和正向迭代器的区别在于：

• 对正向迭代器进行 ++ 操作时，迭代器会指向容器中的后一个元素；

• 而对反向迭代器进行 ++ 操作时，迭代器会指向容器的前一个元素。

下面的程序演示了如何通过迭代器遍历一个 vector 容器中的所有元素。

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#include <iostream>
#include <vector>
using namespace std;
int main()
{
    // v 是存放 int 类型变量的可变长数组，开始时没有元素
    vector<int > v;
    for (int i = 0; i < 5; ++i) {
        // push_back 成员函数在 vector 容器尾部添加一个元素
        v.push_back(i);
    }
    // 定义正向迭代器
    vector<int>::iterator it;
    // 用迭代器遍历容器
    for (it = v.begin(); it != v.end(); ++it) {
        // *it 就是迭代器 it 指向的元素
        cout << *it << " ";
        // 每个元素变为原来的 2 倍
        *it *= 2;
    }
    cout << endl;

    // 用反向迭代器遍历容器
    for (vector<int>::reverse_iterator j = v.rbegin(); j != v.rend(); ++j)
        cout << *j << " ";
    return 0;
}

输出：

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0 1 2 3 4
8 6 4 2 0

vector<int > v; 容器有多个构造函数，如果无参构造函数初始化，则容器一开始是空的。

begin 成员函数返回指向容器中第一个元素的迭代器。++it 使得 it 指向容器中的下一个元素。end 成员函数返回的不是指向最后一个元素的迭代器，而是指向最后一个元素后面的位置的迭代器，因此循环的终止条件是 it != v.end()。

vector<int>::reverse_iterator j = v.rbegin(); 定义了反向迭代器用以遍历容器。反向迭代器进行 ++ 操作后，会指向容器中的上一个元素。rbegin 成员函数返回指向容器中最后一个元素的迭代器，rend 成员函数返回指向容器中第一个元素前面的位置的迭代器，因此本循环实际上是从后往前遍历整个数组。

如果迭代器指向容器中最后一个元素的后面或第一个元素的前面，再通过该迭代器访问元素，就有可能导致程序崩溃，这和访问 NULL 或未初始化的指针指向的地方类似。

上面循环里面的 ++it 和 ++j 相比于 it++、j++，程序的执行速度更快。

迭代器的功能分类

不同容器的迭代器，其功能强弱有所不同。容器的迭代器的功能强弱，决定了该容器是否支持 STL 中的某种算法。例如，排序算法需要通过随机访问迭代器中的元素，因此有的容器就不支持排序算法。

常用的迭代器按功能强弱分为输入、输出、正向、双向、随机访问五种，这里只介绍常用的三种。

1. 正向迭代器。假设 p 是一个正向迭代器，则 p 支持以下操作：++p、p++、*p。此外，两个正向迭代器可以互相赋值，还可以用 == 和 != 运算符进行比较。

2. 双向迭代器。双向迭代器具有正向迭代器的全部功能。除此之外，若 p 是一个双向迭代器，则 --p 和 p-- 都是有定义的。--p 使得 p 朝和 ++p 相反的方向移动。

3. 随机访问迭代器。随机访问迭代器具有双向迭代器的全部功能。若 p 是一个随机访问迭代器，i 是一个整型变量或常量，则 p 还支持以下操作：

• p += i: 使得 p 往后移动 i 个元素

• p -= i: 使得 p 往前移动 i 个元素

• p + i: 返回 p 后面第 i 个元素的迭代器

• p - i: 返回 p 前面第 i 个元素的迭代器

• p[i]: 返回 p 后面第 i 个元素的引用。

此外，两个随机访问迭代器 p1、p2 还可以用 <、>、<=、>= 运算符进行比较。p1 < p2 的含义是：p1 经过若干次（至少一次）++ 操作后，就会等于 p2。其他比较方式的含义与此类似。

对于两个随机访问迭代器 p1、p2，表达式 p2 - p1 也是有定义的，其返回值是 p2 所指向元素和 p1 所指向元素的序号之差（也可以说是 p2 和 p1 之间的元素个数减 1）。

不同容器的迭代器的功能：

例如，vector 的迭代器是随机迭代器，因此遍历 vector 有以下两种做法。下面的程序中，每个循环演示了一种做法。

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#include <iostream>
#include <vector>
using namespace std;
int main()
{
    vector<int> v(100);
    for (int i = 0; i < v.size(); ++i)
        cout << v[i]; // 像普通数组一样使用 vector 容器
    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;
}

list 容器的迭代器是双向迭代器。假设 v 和 i 的定义如下：

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list<int> v;
list<int>::const_iterator i;

则以下代码是合法的：

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for (i = v.begin(); i != v.end(); ++i)
    cout << *i;

以下代码则不合法：

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for (i = v.begin(); i < v.end(); ++i)
    cout << v[i];

因为双向迭代器不支持用 "<" 进行比较。以下代码也不合法：

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2

for (int i = 0; i < v.size(); ++i)
    cout << v[i];

因为 list 不支持随机访问迭代器的容器，也不支持用下标随机访问其元素。

在 C++ 中，数组也是容器。数组的迭代器就是指针，而且是随机访问迭代器。例如，对于数组 int a[10]，int * 类型的指针就是其迭代器。则 a、a + 1、a + 2 都是 a 的迭代器。

迭代器的辅助函数

STL 中有用于操作迭代器的三个函数模板，它们是：

• advance(p, n): 使迭代器 p 向前或后移动 n 个元素

• distance(p, q): 计算两个迭代器之间的距离，即迭代器 p 经过多少次 ++ 操作后和迭代器 q 相等。如果调用时 p 已经指向 q 的后面，则这个函数会陷入死循环。

• iter_swap(p, q): 用于交换两个迭代器 p、q 指向的值。

要使用上述模板，需要包含头文件 algorithm。下面的程序演示了这三个函数模板的用法。

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#include <list>
#include <iostream>
#include <algorithm>
using namespace std;

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); // p 向后移动两个元素，指向 3
    cout << "1) " << *p << endl; // 输出 1)3
    advance(p, -1); // p 向前移动一个元素，指向 2
    cout << "2)" << *p << endl; // 输出 2)2
    list<int>::iterator q = lst.end();
    q--; // q 指向 5
    cout << "3)" << distance(p, q) << endl; // 输出 3)3
    iter_swap(p, q); //交换 2 和 5
    cout << "4)";
    for (p = lst.begin(); p != lst.end(); ++p)
        cout << *p <<  " ";
    return 0;
}

输出：

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1)3
2)2
3)3
4)1 5 3 4 2 

函数、类、类的成员函数作为类模板的友元

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void Func1(){}
class A{};
class B
{
public:
    void Func(){}
};
template<class T>
class Tmpl
{
    friend void Func1();
    friend class A;
    friend void B::Func();
};

int main()
{
    Tmpl<int> i;
    Tmpl<double> f;
    return 0;
}

类模板实例化时，除了类型参数被替换外，其他所有内容都原样保留，因此任何从 Tmpl 实例化得到的类都包含上面三条友元声明，因而也都会把 Func1、类A 和 B::Func 当作友元。

函数模板作为类模板的友元

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#include<iostream>
#include<string>
using namespace std;
template<class T1, class T2>
class Pair
{
private:
    T1 key; // 关键字
    T2 value; // 值
public:
    Pair(T1 k, T2 v): key(k), value(v) {};
    bool operator<(const Pair<T1, T2> & p) const;
    template<class T3, class T4>
    friend ostream & operator<<(ostream & o, const Pair<T3, T4> &p);
};
template<class T1, class T2>
bool Pair<T1, T2>::operator<(const Pair<T1, T2> &p) const
{
    return key < p.key;
}
template<class T1, class T2>
ostream & operator<<(ostream &o, const Pair<T1, T2> &p)
{
    o << "(" << p.key << "," << p.value << ")";
    return o;
}
int main()
{
    Pair<string, int> student("Tom", 29);
    Pair<int, double> obj(12, 3.14);
    cout << student << " " << obj;
    return 0;
}

程序的输出结果是：

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(Tom, 29)(12, 3.14)

第 13、14 行将函数模板 operator<< 声明为类模板 Pair 的友元。

编译本程序时，编译器自动生成了两个 operator<< 函数，它们的原型分别是：

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ostream& operator<<(ostream &o, const Pair<string, int> &p);
ostream& operator<<(ostream &o, const Pair<int, double> &p);

前者是 Pair<string, int> 类的友元，但不是 Pair<int, double> 类的友元。后者相反。

函数模板作为类的友元

实际上，类也可以将函数模板声明为友元。

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#include<iostream>
using namespace std;
class A
{
    int v;
public:
    A(int n): v(n) {}
    template<class T>
    friend void Print(const T & p);
};
template<class T>
void Print(const T &p)
{
    cout << p.v;
}
int main()
{
    A a(4);
    Print(a);
    return 0;
}

程序的输出结果是：

1

4

编译器编译到第 19 行 Print(a); 时，就从 Print 模板实例化出一个 Print 函数，原型如下：

1

void Print(const A & p);

这个函数本来不能访问 p 的私有成员。但是编译器发现，如果将类 A 的友元声明中的 T 换成 A，就能起到将该 Print 函数声明为友元的作用，因此编译器就认为该 Print 函数是类 A 的友元。

类模板作为类模板的友元

一个类模板还可以将另一个类模板声明为友元。

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#include<iostream>
using namespace std;
template<class T>
class A
{
public:
    void Func(const T & p)
    {
        cout << p.v;
    }
};
template<class T>
class B
{
private:
    T v;
public:
    B(T n): v(n) {}
    template<class T2>
    friend class A; // 把类模板 A 声明为友元，这样 A 里面的成员函数都是 B 的友元函数
};
int main()
{
    B<int> b(5);
    A< B<int> > a; // 用 B<int> 替换 A 模板中的 T
    a.Func(b);
    return 0;
}

程序输出结果：

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在本程序中，A< B > 类称为 B 类的友元。

类模板中可以定义静态成员，从该类模板实例化得到的所有类都包含同样的静态成员。

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#include <iostream>
using namespace std;
template<class T>
class A
{
private:
    static int count;
public:
    A() { count++; }
    ~A() { count--; }
    A(A&) { count++; }
    static void PrintCount() { cout << count << endl; }
};
template<> int A<int>::count = 0;
template<> int A<double>::count = 0;
int main()
{
    A<int> ia;
    A<double> da;
    ia.PrintCount();
    da.PrintCount();
    return 0;
}

输出：

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对静态成员在类外部加以声明是必需的。

A 和 A 是两个不同的类。虽然它们都有静态成员变量 count，但是显然，A 的对象 ia 和 A 的对象 da 不会共享一份 count。