C++：STL简单总结

STL的本质

通过前面的学习以及使用，我们对STL已经有了一定的认识。通俗说:STL是Standard Template Library(标准模板库)，是高效的C++程序库，其采用泛型编程思想对常见数据结构(顺序表，链表，栈和队列，堆，二叉树，哈希)和算法(查找、排序、集合、数值运算…)等进行封装，里面处处体现着泛型编程程序设计思想以及设计模式，已被集成到C++标准程序库中。具体说:STL中包含了容器、适配器、算法、迭代器、仿函数以及空间配置器。 STL设计理念:追求代码高复用性以及运行速度的高效率，在实现时使用了许多技术，因此熟悉STL不仅对我们正常使用有很大帮助，而且对自己的知识也有一定的提高。

STL的六大组件

容器

容器，置物之所也。STL中的容器，可以划分为两大类:序列式容器和关联式容器。

算法

算法:问题的求解步骤，以有限的步骤，解决数学或逻辑中的问题。 STL中的算法主要分为两大类:与数据结构相关算法(容器中的成员函数)和通用算法(与数据结构不相干)。STL中通用算法总共有70多个，主要包含: 排序，查找，排列组合，数据移动，拷贝，删除，比较组合，运算等。

C++标准函数库中，为我们提供了一个algorithm库，里面包含了十分多的常用算法，以下只列出了部分常用的算法:

算法名称	算法功能
accumulate	元素统计
binary_search	二分查找
copy	拷贝
copy_backward	逆向拷贝
copy_n	拷贝n个元素
count	计数
count_if	在特定条件下计数
equal	判断两个区间相等与否
fill	填充元素
fill_n	填充元素n次
find	循环查找
find_if	循环查找符合特定条件元素
find_end	查找某个子序列的最后一次出现点
find_first_of	查找某个元素首次出现点
for_each	对区间内的每隔一元素实行某种操作
is_heap	判断某区间是否为一个heap
is_sorted	判断某区间是否已排序
lexicographical_compare	以字典顺序进行比较
max	获取最大值
max_element	最大值所在位置
merge	合并两个序列
min	获取最小值
min_element	最小值所在位置
next_permutation	获取下一个排列组合
pre_permutation	获取前一个排列组合
partial_sort	局部排序
partial_sum	局部求和
partition	分割
remove	删除某类元素
remove_copy	删除某类元素并将结果拷贝到另一个容器中
remove_if	有条件的删除某类元素
replace	替换某类元素
replace_if	有条件的替换
reverse	反转序列
sort	排序(不稳定)
stable_partition	分割并保持元素的相对次序
stable_sort	分割并保持相等元素的相对位置(稳定排序算法)
unique	取出重复性元素
make_heap	创建堆
push_heap	堆插入
pop_heap	堆删除
sort_heap	堆排序

迭代器

什么是迭代器

迭代器是一种设计模式，让用户通过特定的接口访问容器的数据，不需要了解容器内部的底层数据结构。 C++中迭代器本质:是一个指针，让该指针按照具体的结构去操作容器中的数据。

为什么需要迭代器

通过前面算法的学习了解到:STL中算法分为容器相关联与通用算法。所谓通用算法，即与具体的数据结构无关，比如:

template<class InputIterator, class T>
InputIterator find ( InputIterator first, InputIterator last, const T& value )
{
    for ( ;first!=last; first++){
        if ( *first==value )
            break;
	}
    return first;
}

find算法在查找时，与具体的数据结构无关，只要给出待查找数据集合的范围，find就可在该范围中查找，找到返回该元素在区间中的位置，否则返回end。

问题:对于vector、list、deque、map、unordered_set等容器，其底层数据结构均不相同，那find算法是怎么统一向后遍历呢?

vector的底层结构:

list的底层结构:

map的底层结构:

迭代器应该由谁负责提供

每个容器的底层结构都不同，为了降低算法使用容器时的复杂度，底层结构应该对于算法透明，迭代器就充当了算法与容器之间的转接层，因此:每个容器的迭代器应该由容器设计者负责提供，然后容器按照约定给出统一的接口即可。

比如:

// vector中:
typedef T* iterator; 
iterator begin();
iterator end(); 
find(v.beign(), v.end(), 5);

// list中
typedef list_iterator<T, T&, T*> iterator; 
iterator begin();
iterator end();
find(l.begin(), l.end(), 5);

迭代器实现原理

容器底层结构不同，导致其实现原理不同，容器迭代器的设计，必须结合具体容器的底层数据结构。 比如:

1. vector

因为vector底层结构为一段连续空间，迭代器前后移动时比较容易实现，因此vector的迭代器实际是对原生态指针的封装，即:typedef T* iterator。

2. list

list底层结构为带头结点的双向循环链表，迭代器在移动时，只能按照链表的结构前后依次移动，因此链表的迭代器需要对原生态的指针进行封装，因为当对迭代器++时，应该通过节点中的next指针域找到下一个节点。

如果迭代器不能直接使用原生态指针操作底层数据时，必须要对指针进行封装，在封装时需要提供以下方法:

1. 迭代器能够像指针一样方式进行使用

重载pointer operator*() / reference operator->()

2. 能够让迭代器移动

向后移动:self& operator++() / self operator++(int)
向前移动:self& operator--() / self operator--(int) (注意:有些容器不能向前移动，比如
forward_list)

3. 支持比较-因为在遍历时需要知道是否移动到区间的末尾

bool operator!=(const self& it)const 
bool operator==(const self& it)const

代器与类的融合

1. 定义迭代器类

2. 在容器类中统一迭代器名字

// 比如list:
template <class T, class Alloc = alloc> 
class list
{
// ...
    typedef __list_iterator<T, T&, T*>  iterator;
// ...
};

3. 在容器类中添加获取迭代器范围的接口:

template <class T, class Alloc = alloc>
class list
{
// ...
    iterator begin(){ return (link_type)((*node).next);}
    iterator end(){ return node;}
    // ...
};

反向迭代器

反向迭代器:正向迭代器的适配器，即正向迭代器++往end方向移动，–往begin方向移动，而反向迭代器++则往begin方向移动，–则向end方向移动。

适配器

适配器:又接着配接器，是一种设计模式，简单的说:需要的东西就在眼前，但是由于接口不对而无法使用，需要对其接口进行转化以方便使用。即:将一个类的接口转换成用户希望的另一个类的接口，使原本接口不兼容的类可以一起工作。

STL中适配器总共有三种类型:

• 容器适配器-stack和queue

stack的特性是后进先出，queue的特性为先进先出，该种特性deque的接口完全满足，因此stack和 queue在底层将deque容器中的接口进行了封装。

template < class T, class Container = deque<T> >
class stack { ... };

template < class T, class Container = deque<T> >
class queue { ... };

• 迭代器适配器-反向迭代器

反向迭代器++和–操作刚好和正向迭代器相反，因此:反向迭代器只需将正向迭代器进行重新封装即
可。

仿函数

仿函数:一种具有函数特征的对象，调用者可以像函数一样使用该对象 ，为了能够“行为类似函数”，该对象所在类必须自定义函数调用运算符operator()，重载该运算符后，就可在仿函数对象的后面加上一对小括号，以此调用仿函数所定义的operator()操作，就其行为而言，“仿函数”一次更切贴。

仿函数一般配合算法，作用就是:提高算法的灵活性。

#include <vector>
#include <algorithm>

class Mul2
{
public:
    void operator()(int& data)
    { data <<= 1;}
};

class Mod3
{ public:
    bool operator()(int data)
    { return 0 == data % 3;}
};

int main() {
	// 给容器中每个元素乘2
	vector<int> v{1,2,3,4,5,6,7,8,9,0}; 
	for_each(v.begin(), v.end(), Mul2()); 
	for (auto e : v)
        cout << e << " ";
    cout << endl;

	// 删除容器中3的倍数
	auto pos = remove_if(v.begin(), v.end(), Mod3()); 
	v.erase(pos, v.end());
	
	// 将容器中的元素打印出来
	// 注意:对于功能简单的操作，可以使用C++11提供的lambda表达式来代替
	// lambda表达式实现简单，其在底层与仿函数的原理相同，编译器会将lambda表达式转换为仿函数 
	for_each(v.begin(), v.end(), [](int data){cout << data << " "; });
	cout << endl;
	return 0;
}

空间配置器

STL总结之空间配置器

STL框架