C++初阶(十)--初识STL

目录

​编辑

一、STL 是什么？

二、STL的六大组件

容器（Containers）

迭代器（Iterators）

算法（Algorithms）

函数对象（Function Objects）

适配器（Adapters）

空间配置器（Allocator）

三、为什么要用 STL？

---

一、STL 是什么？

STL 是 C++ 标准库的一部分，它提供了一系列通用的模板类和函数模板，这些模板都是经过精心设计和优化的，可以用来处理各种常见的编程任务，比如数据存储（像数组、链表、树这些结构相关的事儿）、数据处理（排序、查找等操作）以及算法实现等。简单说呢，就是别人已经帮咱们把很多常用的、好用的代码模板都准备好了，咱们只要知道怎么用就行了。

二、STL的六大组件

STL（Standard Template Library，标准模板库）主要由以下六大组件构成，每个组件在 STL 体系中都起着至关重要的作用，它们相互协作，为 C++ 程序员提供了强大且便捷的编程工具。

容器（Containers）

容器是用于存储数据元素的对象，STL 提供了多种不同类型的容器，以满足各种数据存储和操作需求。

• 顺序容器（Sequential Containers）：

  • vector：类似于动态数组，可以在运行时动态调整大小。元素在内存中是连续存储的，这使得它能够快速地随机访问元素，但在中间插入或删除元素时，可能需要移动大量其他元素。例如，vector<int> vec; vec.push_back(1); vec.push_back(2);创建了一个存放整数的vector容器，并依次添加了两个元素。
  • list：是一个双向链表结构，每个节点包含一个数据元素以及指向前一个和后一个节点的指针。在链表中间插入和删除元素相对容易，只需调整相关节点的指针即可，不过随机访问元素的速度相对较慢，因为需要从链表头或链表尾逐个遍历节点才能访问到目标元素。比如，list<int> lst; lst.push_back(1); lst.push_back(2);创建了一个存放整数的list容器并添加了两个元素。
  • deque：即双端队列，它结合了数组和链表的一些特点。在两端（头部和尾部）可以像链表一样方便地插入和删除元素，同时又能像数组一样支持快速的随机访问（但随机访问速度比vector稍慢一些）。例如，deque<int> dq; dq.push_back(1); dq.push_back(2); dq.push_front(3);创建了一个存放整数的deque容器，不仅能从尾部添加元素，还能从头部添加元素。

• 关联容器（Associative Containers）：

  • set：是一种存储唯一元素的容器，它会自动按照元素的某种特定顺序（通常是根据元素的比较函数确定的顺序，如对于整数是按照大小顺序，对于字符串是按照字典序）对元素进行排序。例如，set<int> s; s.insert(3); s.insert(1); s.insert(2);创建了一个存放整数的set容器，并插入了几个元素，插入后元素会自动按照从小到大的顺序排列。当试图插入一个已经存在于set中的元素时，插入操作将不会成功，因为set要保证元素的唯一性。
  • map：它是一种键值对容器，每个元素由一个键（key）和一个值（value）组成。通过键可以快速地找到对应的 值，并且键在总体内是唯一的。例如，map<int, string> m; m.insert(make_pair(1, "one")); m.insert(make_pair(2, "one"));创建了一个存放整数键和字符串值的map容器，并插入了两对键值对。类似于set，map也会根据键的比较函数自动对键值对进行排序，以便于快速查找。

迭代器（Iterators）

迭代器是一种类似于指针的对象，它提供了一种统一的方式来访问容器中的元素，使得程序员可以在不了解容器内部实现细节的情况下，对不同类型的容器进行遍历、修改等操作。

• 不同类型的容器有不同类型的迭代器，比如：
  • 正向迭代器：用于按照容器中元素的存储顺序从前往后遍历元素。例如，对于vector<int>容器，vector<int>::iterator it = vec.begin();，这里vec.begin()返回的就是指向容器第一个元素的正向迭代器，通过it++可以逐个访问后面的元素。
  • 反向迭代器：用于按照与容器中元素存储顺序相反的方向从后往前遍历元素。例如，对于list<int>容器，list<int>::reverse_iterator rit = lst.rbegin();，这里lst.rbegin()返回的就是指向容器最后一个元素的反向迭代器，通过rit--可以逐个访问前面的元素。
  • 常量迭代器：用于在不修改容器元素的情况下遍历元素，有正向常量迭代器和反向常量迭代器之分。例如，对于set<int>容器，set<int>::const_iterator cit = s.begin();，在这种情况下，虽然可以访问元素，但不能对其进行修改。

算法（Algorithms）

STL 提供了大量的算法来对容器中的元素进行各种操作，这些算法通过迭代器来指定操作的范围，从而实现了对不同类型容器的通用性。

• 排序算法（Sorting Algorithms）：

  • std::sort：这是最常用的排序算法之一，它可以对一个给定范围内的元素进行快速排序。例如，对于vector<int>容器vec，std::sort(vec.begin(), vec.end());会将容器中的整数按照从小到大的顺序排列。它的时间复杂度通常为 O (n log n)，其中 n 是要排序的元素个数。
  • std::stable_sort：与std::sort类似，但它在排序过程中会保证相等元素的相对顺序不变。例如，在对一个包含重复元素的容器排序时，如果使用std::stable_sort，那么原来在前面的重复元素在排序后仍然会在前面。

• 查找算法（Searching Algorithms）：

  • std::find：用于在一个给定范围内寻找指定的元素。例如，对于list<int>容器lst，std::find(lst.begin(), lst.end(), 5);会在容器中寻找整数 5，如果找到则返回指向该元素的迭代器，否则返回一个特殊的标志（如list<int>::end()），表示没有找到。
  • std::binary_search：适用于已经排序的容器，它利用二分法来快速查找指定的元素。例如，对于已经排序好的vector<int>容器vec，std::binary_search(vec.begin(), vec.end(), 5);会判断容器中是否存在整数 5。如果存在，返回 true；否则，返回 false。

• 其他算法（Other Algorithms）：

  • std::copy：用于将一个范围内的元素复制到另一个位置。例如，对于vector<int>容器vec1和vec2，std::copy(vec1.begin(), vec1.end(), vec2.begin());会将vec1的所有元素复制到vec2的开头部分。
  • std::accumulate：用于计算一个范围内的元素的总和或其他可累积的属性。例如，对于vector<int>容器vec，std::accumulate(vec.begin(), vec.end(), 0);会计算容器中所有元素的总和，这里第二个参数 0 表示初始值。

函数对象（Function Objects）

函数对象，也称为仿函数（Functors），是一种可以像函数一样被调用的对象。它们在 STL 中有着重要的作用，常常被用来替代普通的函数作为算法的参数，以实现更灵活的操作。

• 例如，定义一个比较函数对象来实现特定的比较规则：
  • class MyComparator { public: bool operator()(int a, int b) { return a > b; } };
  • 这里定义了一个名为MyComparator的函数对象，它实现了一个比较规则，即比较两个整数时，返回较大的数在前的结果。可以将这个函数对象作为参数传给std::sort算法，例如：vector<int> vec; vec.push_back(1); vec.push_back(2); std::sort(vec.begin(), vec.end(), MyComparator());，这样就会按照我们定义的比较规则（较大数在前）对容器中的元素进行排序。

适配器（Adapters）

适配器是一种将一种接口转换为另一种接口的组件，在 STL 中主要用于将不同类型的容器、迭代器或函数对象进行转换，以满足特定的应用需求。

• 容器适配器（Container Adapters）：

  • stack：它是基于其他容器（如vector、list等）实现的一种后进先出（LIFO）的数据结构。例如，以vector为基础实现的stack可以这样创建：stack<int, vector<int>> stk;，这里第一个参数表示栈中元素的类型，第二个参数表示所基于的容器类型。通过push、pop等操作可以对栈进行操作。
  • queue：也是基于其他容器（如vector、list等）实现的一种数据结构，不过它是先进先出（FIFO）的。例如，以list为基础实现的queue可以这样创建：queue<int, list<int>> q;，同样，通过push、push_front、pop等操作可以对队列进行操作。

• 迭代器适配器（Iterator Adapters）：

  • reverse_iterator：它是一种将正向迭代器转换为反向迭代器的适配器。例如，对于vector<int>容器vec，vector<int>::reverse_iterator rit = vec.rbegin();，这里vec.rbegin()就是利用reverse_iterator适配器将正向迭代器转换为反向迭代器的结果，通过rit--可以按照与容器中元素存储顺序相反的方向从后往前遍历元素。

• 函数对象适配器（Function Object Adapters）：

  • bind：它是一种将函数对象与参数进行绑定的适配器。例如，假设有一个函数对象MyFunction和一些参数，通过bind可以将这些参数绑定到MyFunction上，形成一个新的函数对象，以便于在特定的应用场景下使用。

空间配置器（Allocator）

空间配置器是负责为容器分配和回收内存空间的组件。它就像是一个幕后的 “内存管家”，当容器需要存储新的元素、扩展容量等情况时，就由空间配置器来处理相关的内存操作，确保容器能够顺利地获取到所需的内存空间，并且在元素被移除或容器被销毁时，合理地回收内存，避免内存泄漏等问题。

• 一级空间配置器（__malloc_alloc_template）：实际上是对malloc和free函数的一种包装。它在内部基本就是直接调用malloc函数来分配内存，调用free函数来回收内存。例如，当容器需要分配一定大小的内存空间时，一级空间配置器会像这样操作：void* ptr = __malloc_alloc_template<>::allocate(n);，这里n是需要分配的 ，__malloc_alloc_template<>::allocate函数内部就是调用malloc函数来完成分配的。
• 二级空间配置器（__allocator_base）：引入了内存池的概念。它会预先分配一块较大的内存池，然后从这个内存池中为容器分配所需的内存空间。比如，它可能会先分配一块 16KB 的内存池，当容器需要分配内存时，就从这个内存池中取出合适大小的 ，以便给容器。对于较小的内存块（通常定义为小于等于 128 字节），二级空间配置器会使用一种叫做 “自由链表” 的结构来管理。自由链表就是把同类型（即相同大小）的空闲内存块用链表的形式连接起来，当需要分配这种小内存块时，就从相应的自由链表中取出一个空闲块给容器；当容器释放这种小内存块时，又会把它放回相应的自由链表中，以便下次再利用。对于较大的内存块（大于 128 字节），二级空间配置器会像一级空间配置器一样，直接调用malloc函数来分配内存，并在回收时调用free函数。

这就是 STL 的六大组件啦，它们相互配合，为 C++ 程序员提供了高效、便捷的编程体验，使得处理各种数据结构和算法问题变得更加容易。

三、为什么要用 STL？

• 提高开发效率：不用再从头去写那些处理数据结构和算法的代码啦，直接拿 STL 里的现成模板来用就行，能节省大量的时间和精力，让我们可以把更多的心思放在解决具体的业务问题上呢。
• 代码质量保证：STL 里的模板都是经过专业人员精心设计和优化的，所以在性能、稳定性等方面都有很好的表现。使用 STL 可以让我们的代码质量更高，减少因为自己编写代码不当而导致的各种问题呢。
• 代码的通用性和可移植性：因为 STL 是 C++ 标准库的一部分，所以在任何支持 C++ 标准的环境下都可以使用，这使得我们的代码具有很好的通用性和可移植性，不管是在 Windows、Linux 还是其他操作系统上，只要是 C++ 能跑的地方，STL 就能派上用场啦。

---

 本篇博客只是对STL初步认识，后面会对STL中的东西具体讲解，欢迎评论区留言

原文地址：https://blog.csdn.net/weixin_65132948/article/details/143508096

免责声明：本站文章内容转载自网络资源，如本站内容侵犯了原著者的合法权益，可联系本站删除。更多内容请关注自学内容网（zxcms.com）！