C++STL应用精讲：谭浩强课后习题中的模板库实践

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摘要
关键字
1. C++标准模板库(STL)概述

1.1 STL的组成
1.2 通用性与效率
1.3 C++11/14/17/20中的STL

2. STL容器的使用和原理

2.1 序列容器

2.1.1 vector：动态数组的实现和应用
2.1.2 list：双向链表的数据结构和使用场景

2.2 关联容器

2.2.1 set和multiset：集合的数据组织和操作
2.2.2 map和multimap：键值对映射和使用

2.3 无序容器

2.3.1 unordered_set和unordered_map：哈希表的数据结构和性能
2.3.2 哈希函数的选择和影响

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摘要
本文全面概述了C++标准模板库（STL）的各个方面。首先介绍了STL的基本概念及其容器的分类和原理，包括序列容器、关联容器和无序容器的设计与使用。随后深入分析了STL迭代器的种类及算法的应用，探究了函数对象与适配器的作用和分类。通过实际应用案例，展示了STL在数据处理、性能优化等方面的高效运用。文章最后讨论了STL在现代C++编程中的地位和最新标准中的新特性，以及高级模板编程技巧在STL中的应用。本文旨在为C++开发者提供STL的深入理解和应用指南，帮助他们更有效地利用STL进行软件开发。
关键字
C++标准模板库；序列容器；关联容器；迭代器；算法；函数对象；模板元编程
参考资源链接：谭浩强《C++程序设计》课后习题答案详解
1. C++标准模板库(STL)概述
C++标准模板库（Standard Template Library，简称STL）是C++语言最核心的组件之一，提供了高效、可复用的数据结构和算法。STL的主要价值体现在以下几个方面：
1.1 STL的组成
STL大致可以分为三大部分：容器（Containers）、迭代器（Iterators）和算法（Algorithms）。容器用于存储数据，迭代器作为容器与算法之间的桥梁，算法则负责执行具体的操作。
1.2 通用性与效率
STL的设计思想是泛型编程，这意味着同一算法或数据结构可以在不同的数据类型上执行，而不需修改其源代码。这种设计不仅提高了代码的复用性，也保证了程序的运行效率。
1.3 C++11/14/17/20中的STL
随着C++标准的迭代更新，STL也在不断地扩展和完善。新标准为STL引入了许多新的容器、迭代器和算法，使得STL更加强大和灵活，满足现代C++编程的需求。
STL是深入C++编程的必备知识，接下来我们将具体探讨STL容器的使用和原理，帮助读者更好地理解和应用这一强大的工具。
2. STL容器的使用和原理
2.1 序列容器
2.1.1 vector：动态数组的实现和应用
C++中的vector是一个动态数组，能够根据需求自动扩展存储空间。与普通数组相比，vector提供的最大优势在于其可以根据元素的增加或删除自动调整大小，而普通数组的大小在创建时就已经确定，无法改变。
一个典型的vector声明如下：
#include <vector>using namespace std;vector<int> vec; // 声明一个int类型的vector登录后复制
vector在内部维护一个动态分配的数组，当该数组空间不足以存储更多元素时，vector会自动创建一个更大的数组，然后将原有数据拷贝到新数组中，释放旧数组，从而实现自动扩容。
使用vector的基本操作包括插入、删除、访问等。例如：
vec.push_back(10); // 在vector的末尾添加一个元素10vec.pop_back(); // 移除vector的最后一个元素int value = vec[0]; // 访问vector的第一个元素登录后复制
vector提供了非常方便的接口来获取其大小、容量等信息：
size_t size = vec.size(); // 获取当前元素数量size_t capacity = vec.capacity(); // 获取当前分配的总容量登录后复制
vector的动态增长是通过重新分配内存和复制元素来实现的，这会带来一定的性能开销。当在创建vector时能够预估其最终大小，使用reserve函数预先分配足够的内存可以提高效率：
vec.reserve(200); // 预分配足够的内存以容纳200个元素登录后复制
在实际开发中，vector适用于那些需要动态增长的数据集合，例如临时数据存储、结果集缓存等场景。
2.1.2 list：双向链表的数据结构和使用场景
在STL中，list是一个双向链表容器，它允许在任何位置快速插入和删除元素，但不能像vector那样随机访问元素。list的每个元素都是节点，节点之间通过指针相互链接，每个节点包括数据本身以及前驱和后继节点的指针。
创建一个list的实例是这样的：
#include <list>using namespace std;list<int> lst; // 声明一个int类型的list登录后复制
与vector不同，list不支持直接通过下标访问元素，它提供了迭代器来访问和操作数据。例如：
list<int>::iterator it = lst.begin(); // 获取指向list第一个元素的迭代器int value = *it; // 解引用迭代器访问元素登录后复制
list提供了强大的成员函数来在链表中插入和删除元素：
lst.push_back(10); // 在链表末尾添加元素10lst.push_front(20); // 在链表头部添加元素20lst.pop_back(); // 移除链表末尾元素lst.pop_front(); // 移除链表头部元素登录后复制
list还提供了排序、反转、合并等功能，使得操作双向链表变得非常方便。例如：
lst.sort(); // 对list进行排序lst.reverse(); // 反转listlist<int> lst2; // 声明另一个listlst.merge(lst2); // 合并lst2到lst中，前提是两个list都已经排序登录后复制
list在需要频繁插入和删除操作的场合非常有用，如在实现缓冲区、队列、双向队列、栈等数据结构时。

容器类型
特点
典型应用场景

vector
动态数组，支持快速随机访问，元素连续存储
数据存储、临时数据结构

list
双向链表，不支持随机访问，元素不连续存储
频繁插入和删除操作

2.2 关联容器
2.2.1 set和multiset：集合的数据组织和操作
set和multiset是STL中关联容器的两种类型，它们存储元素以保持特定的顺序，并且不允许重复的元素。set是一个集合，它的每个元素都是唯一的，而multiset允许有重复的元素。
set和multiset的典型用法如下：
#include <set>using namespace std;set<int> s; // 声明一个int类型的setmultiset<int> ms; // 声明一个int类型的multiset登录后复制
它们内部通常使用红黑树这种平衡二叉搜索树结构来组织数据，这样既可以保证元素的有序性，也可以提供对数时间复杂度的插入、删除和查找操作。
使用set和multiset时，常常会使用迭代器来遍历容器中的元素。例如：
for (auto it = s.begin(); it != s.end(); ++it) { // 遍历set中的所有元素}登录后复制
set和multiset提供了一系列成员函数来操作元素，包括插入、删除、查找等。
s.insert(10); // 向set中插入元素10s.erase(10); // 删除set中的元素10auto it = s.find(10); // 查找set中的元素10登录后复制
由于set和multiset内部元素是有序的，它们特别适用于需要保持排序状态的数据集。例如，优先队列、统计不重复元素的出现频率等。
2.2.2 map和multimap：键值对映射和使用
map和multimap是STL中的关联容器，用于存储键值对。map中的每个元素包含一个键和一个值，而multimap允许一个键对应多个值。它们同样利用平衡二叉树结构来维护元素的有序性和高效的操作性能。
创建map和multimap实例的基本语法如下：
#include <map>using namespace std;map<string, int> m; // 声明一个string到int的mapmultimap<string, int> mm; // 声明一个string到int的multimap登录后复制
向map和multimap中插入数据可以使用insert成员函数：
m.insert(make_pair("apple", 2)); // 插入键值对登录后复制
遍历map和multimap通常需要使用迭代器：
for (auto it = m.begin(); it != m.end(); ++it) { // 遍历map中的所有元素}登录后复制
map和multimap提供的成员函数可以用来查询和操作容器中的元素：
m["apple"]; // 通过键值来访问元素，如果是新键，会自动插入一个默认值m.erase("apple"); // 删除键为"apple"的元素m.find("apple"); // 查找键为"apple"的元素登录后复制
由于map和multimap可以高效地根据键来访问元素，它们经常用于实现字典、符号表、数据库等数据结构。

容器类型
特点
典型应用场景

set
存储唯一的键，维护元素的有序性
去重、统计元素频率

multiset
允许重复的键，维护元素的有序性
统计元素频率

map
存储唯一的键值对，键有序
字典、符号表

multimap
存储键和多个值的关系，键有序
符号表、数据库记录

2.3 无序容器
2.3.1 unordered_set和unordered_map：哈希表的数据结构和性能
unordered_set和unordered_map是STL中基于哈希表实现的关联容器，它们提供了平均常数时间复杂度的插入、删除和查找操作。与基于树结构的set和map相比，unordered_set和unordered_map在处理大量数据时具有更高的效率。
它们的基本声明和使用示例如下：
#include <unordered_set>#include <unordered_map>using namespace std;unordered_set<int> us; // 声明一个int类型的unordered_setunordered_map<string, int> um; // 声明一个string到int的unordered_map登录后复制
由于使用了哈希表，unordered_set和unordered_map在内部通过哈希函数将键映射到桶（bucket）上。当插入或查找元素时，容器首先计算键的哈希值，然后在对应的桶内进行操作，以提高效率。
和set、map一样，unordered_set和unordered_map也提供了迭代器用于遍历容器：
for (auto it = um.begin(); it != um.end(); ++it) { // 遍历unordered_map中的所有元素}登录后复制
unordered_set和unordered_map提供了一些特有的成员函数，如max_load_factor来控制哈希表的负载因子，影响哈希表的性能。
us.max_load_factor(0.75); // 设置最大负载因子为0.75登录后复制
使用哈希表的容器时，选择一个好的哈希函数是非常关键的。一个好的哈希函数应该能将键均匀地分布到哈希表中，减少哈希冲突，从而保持高的查找效率。
unordered_set和unordered_map非常适用于需要快速查找的场景，如缓存、字典、计数器等。
2.3.2 哈希函数的选择和影响
选择合适的哈希函数是影响哈希表性能的关键因素之一。一个良好的哈希函数能将键均匀地分布到哈希表的不同桶中，减少哈希冲突，从而提高哈希表的性能。
在C++ STL中，unordered_set和unordered_map提供了默认的哈希函数实现，这些默认的哈希