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HelloWorld论坛 : > 计算机科学、技术、教学> 编程入门> c、c++基础> [转]标准C++中的STL容器类简介
 
 
 
 
类别:其他 阅读:5463 评论:0 时间:Oct. 17, 2011, 5:29 p.m. 关键字:

 

SGI -- Silicon Graphics[Computer System] Inc.硅图[计算机系统]公司.

STL -- Standard Template Library 标准模板库。

 

容器的概念

所谓STL容器,即是将最常运用的一些数据结构(data structures)实现出来。

容器是指容纳特定类型对象的集合。根据数据在容器中排列的特性,容器可概分为序列式(sequence)和关联式(associative)两种。

迭代器是一种检查容器内元素并遍历元素的数据类型。它提供类似指针的功能,对容器的内容进行走访。

#include<iterator>

例如:

std::vector<int> IntVector;

std::vector<int>::iterator first=IntVector.begin();

// begin()得到指向vector开头的Iterator,*first得到开头一个元素的值

std::vector<int>::iterator last=IntVector.end();

// end()得到指向vector结尾的Iterator,*last得到最后一个元素的值

 

序列式容器

所谓序列式容器,其中的元素都可序(ordered),但未必有序(sorted)。数组为C++语言内置的序列容器,STL另外提供vector、list、deque(double-ended queue)。它们的差别在于访问元素的方式,以及添加或删除元素相关操作的运行代价。

标准库还提供了三种容器适配器(adapter),所谓适配器是根据原始的容器类型所提供的操作,通过定义新的操作接口,来适应基础的容器类型。顺序容器适配器包括stack、queue、priority_queue等序列式容器。其中stack和queue由于只是将deque改头换面而成,技术上被归类为一种配接器(adapter),priority_queue是有优先级管理的队列。

 

一. Vector

1.vector的基本概念

vector是标准C++建议替代C数组的动态数组模型,它维护的是一个连续线性空间。

vector所采用的数据结构非常简单:线性连续空间。它以两个迭代器start和finish分别指向配置得到的连续空间中目前已被使用的范围,并以迭代器end_of_storage指向整块连续空间(含备用空间)的尾端。

vector的实现技术,关键在于其对大小的控制以及重新分配时的数据移动效率。一旦vector原有空间用完,如果客户端每新增一个元素,vector内部就只扩充一个元素的空间,实为不智。因为所谓扩充控件(不论多大),是“配置新空间(malloc)/拷贝移动数据(memcpy)/释放旧空间(free)”的大工程,时间成本很高,应该采用某种未雨绸缪的空间配置策略。

注意,所谓动态增加大小,并不是在原空间之后接续新空间(因为无法保证之后尚有可供配置的空间),而是每次再分配原大小两倍的内存空间。因此,对vector的任何操作,一旦引起控件重新配置,指向原vector的所有迭代器就都失效了。

由于vector维护的是一个连续线性空间,因此vector迭代器具备普通指针的功能,支持随机存取,即vector提供的是Random Access Iterators。

2.向量类模板std::vector的成员函数

#include<vector>

std::vector<type> vec;

std::vector<type> vec(size);

std::vector<type> vec(size,value);

std::vector<type> vec(myvector);

std::vector<type> vec(first,last);

Operators:==、!=、<=、>=、<、>、[]

assign(first,last):用迭代器first,last所指定的元素取代向量元素

assign(num,val):用val的num份副本取代向量元素

at(n):等价于[]运算符,返回向量中位置n的元素,因其有越界检查,故比[]索引访问安全

front():返回向量中第一个元素的引用

back():返回向量中最后一个元素的引用

begin():返回向量中第一个元素的迭代器

end():返回向量中最后一个元素的下一个迭代器(仅作结束游标,不可解引用)

max_size():返回向量类型的最大容量(2^30-1=0x3FFFFFFF)

capacity():返回向量当前开辟的空间大小(<= max_size,与向量的动态内存分配策略相关)

size():返回向量中现有元素的个数(<=capacity)

clear():删除向量中所有元素

empty():如果向量为空,返回真

erase(start,end):删除迭代器start end所指定范围内的元素

erase(i):删除迭代器i所指向的元素

    erase()返回指向删除的最后一个元素的下一位置的迭代器

insert(i,x);把x插入到迭代器i所指定的位置之前

insert(i,n,x):把x的n份副本插入到迭代器i所指定的位置之前

insert(i,start,end):把迭代器start和end所指定的范围内的值插入到迭代器i所指定的位置之前

push_back(x):把x推入(插入)到向量的尾部

pop_back():弹出(删除)向量最后一个元素

rbegin():返回一个反向迭代器,该迭代器指向的元素越过了向量中的最后一个元素

rend():返回一个反向迭代器,该迭代器指向向量中第一个元素

reverse():反转元素顺序

resize(n,x):把向量的大小改为n,新元素的初值赋为x

swap(vectorref):交换2个向量的内容

3.动态字符串类std::string

string是标准C++建议替代C字符串(以零结束的字符数组)的动态字符串模型,可以简单的看做vector<char>。

#include<string>

std::string str1;

std::string str3(str2);

std::string str2("this is a string");

以下未列出与vector相同的通用操作。

Operators:+、+=

length():和size()函数功能相同

data():取得字符串指针

c_str():取得C风格字符串指针

c_str()的流程是先调用terminate(),然后再返回data()。因此如果你对效率要求比较高,而且你的处理又不一定需要以/0的方式结束,最好选择data()。但是对于一般的C函数中,需要以const char*为输入参数,要使用c_str()函数。

operator=:赋值操作符

append():追加字符串

replace():替换字符

copy():拷贝自己的num个字符到str中(从索引index开始)。

find():在字符串中查找指定字符,返回基于0的索引号

rfind():反向查找

find_first_of():查找包含子串中的任何字符,返回第一个位置

find_first_not_of():查找不包含子串中的任何字符,返回第一个位置

find_last_of():查找包含子串中的任何字符,返回最后一个位置

find_last_not_of():查找不包含子串中的任何字符,返回最后一个位置

substr(n1,len):得到字符串从n1开始的长度为len的子串

比较字符串(支持所有的关系运算符)

compare 比较字符串

operator+  字符串衔接

operator+= 增加操作符

operator== 判断是否相等

operator!= 判断是否不等于

operator< 判断是否小于

operator>> 从输入流中读入字符串

operator<< 字符串写入输出流

getline 从输入流中读入一行

 

二.list

1.list的基本概念

相对于vector的连续线性空间,list就显得复杂许多,与向量(vector)相比, 它允许快速的插入和删除,且每次插入或删除一个元素,就配置或释放一个元素空间。因此,list对于空间的运用绝对的精准,一点也不浪费。而且,对于任何位置的元素插入或元素移除,list永远是常数时间。

list不再能够像vector那样以普通指针作为迭代器,因为其节点不保证在储存空间中连续存在。list迭代器必须有能力指向list的节点,并有能力进行正确的递增、递减、取值、成员存取等操作。所谓“list迭代器正确的递增、递减、取值、成员取用”操作是指,递增时指向下一个节点,递减时指向上一个节点,取值时取的是节点的数据值,成员取用时取用的是节点的成员。

list不仅是一个双向链表,而其还是一个环状双向链表。所以它只需要一个指针,便可以完整实现整个链表。由于list是一个双向链表(double linked-list),迭代器必须具备前移、后移的能力,所以list提供的是Bidirectional Iterators。

list有一个重要性质:插入操作(insert)和合并操作(splice)都不会造成原有的list迭代器失效。这在vector是不成立的,因为vector的插入操作可能造成记忆体重新配置,导致原有的迭代器全部失效。甚至list的元素删除操作(erase)也只有“指向被删除元素”的那个迭代器失效,其他迭代器不受任何影响。

2.链表类模板std::list成员函数

#include<list>

std::list<type> lst;

std::list<type> lst(size);

std::list<type> lst(size,value);

std::list<type> lst(mylist);

std::list<type> lst(first,last);

以下未列出与vector相同的通用操作。

push_front(x):把元素x推入(插入)到链表头部

pop_front():弹出(删除)链表首元素

merge(listref):把listref所引用的链表中的所有元素插入到链表中,可指定合并规则

splice():把lst连接到pos的位置

remove(val):删除链表中所有值为val的元素

remove_if(pred):删除链表中谓词pred为真的元素

(谓词即为元素存储和检索的描述,如std::less<>,std::greater<>那么就按降序/升序排列,你也可以定义自己的谓词)

sort():根据默认的谓词对链表排序

sort(pred):根据给定的谓词对链表排序

unique():删除链表中所有重复的元素

unique(pred):根据谓词pred删除所有重复的元素,使链表中没有重复元素

注意:vector和deque支持随机访问,而list不支持随机访问,因此不支持[]访问!

 

三.deque

1.deque的基本概念

vector是单向开口的连续线性空间,deque则是以中双向开口的连续线性空间。所谓双向开口,意思是可以在头尾两端分别做元素的插入和删除操作。从技术的角度而言,vector当然也可以在头尾两端进行操作,但是其头部操作效率奇差、令人无法接受。

deque和vector的最大差异,一在于deque允许于常数时间内对头端进行元素的插入或移除操作,二在于deque没有所谓容量(capacity)观念,因为它是动态地以分段连续空间组合而成,随时可以增加一段新的空间并链接起来。换句话说,像vector那样“因旧空间不足而重新配置一块更大空间,然后复制元素,再释放旧空间”这样的事情在deque中是不会发生的。也因此,deque没有必要提供所谓的空间预留(reserved)功能。

虽然deque也提供Random Access Iterator,但它的迭代器并不是普通指针,其复杂度和vector不可同日而语,这当然涉及到各个运算层面。因此,除非必要,我们应尽可能选择使用vector而非deque。对deque进行的排序操作,为了最高效率,可将deque先完整复制到一个vector身上,将vector排序后(利用STL的sort算法),再复制回deque。

deque是由一段一段的定量连续空间构成。一旦有必要在deque的前端或尾端增加新空间,便配置一段定量的连续空间,串接在整个deque的头端或尾端。deque的最大任务,便是在这些分段的定量连续空间上,维护其整体连续的假象,并提供随机存取的接口。避开了“重新配置、复制、释放”的轮回,代价则是复杂的迭代器架构。

2.双端队列类模板std::deque成员函数

#include<deque>

std::deque<type> deq;

std::deque<type> deq(size);

std::deque<type> deq(size,value);

std::deque<type> deq(mydeque);

std::deque<type> deq(first,last);

其成员函数如下:

Operators:[]用来访问双向队列中单个的元素

front():返回第一个元素的引用

push_front(x):把元素x推入(插入)到双向队列的头部

pop_front():弹出(删除)双向队列的第一个元素

back():返回最后一个元素的引用

push_back(x):把元素x推入(插入)到双向队列的尾部

 

pop_back():弹出(删除)双向队列的最后一个元素

 

四.基于deque的顺序容器适配器stack、queue(priority_queue)

stack

1.stack的基本概念

stack是一种后进先出(First In Last Out,FILO)的数据结构,它只有一个出口。stack允许新增元素、移除元素、取得最顶端元素。但除了最顶端外,没有任何其他方法可以存取stack的其他元素,换言之,stack不允许随机访问。

STL以deque作为stack的底层结构,对deque封闭期头端开口,稍作修改便形成了stack。   

将元素插入stack的操作称为push,将元素弹出stack的操作称为pop。stack所有元素的进出都必须符合“后进先出”的条件,只有stack顶端的元素,才有机会被外界取用。stack不提供走访功能,也不提供迭代器。

2.容器适配器堆栈类std::stack成员函数

#include<stack>

stack实现后进先出的操作

std::stack<type,container> stk;

type为堆栈操作的数据类型

container为实现堆栈所用的容器类型,默认基于deque,还可以为std::vector和std::list

例如std::stack<int,std::list<int>> IntStack;

其成员函数如下:

top():返回顶端元素的引用

push(x):将元素压入栈(顶)

pop():弹出(删除)顶端元素

 

queue

1.queue的基本概念

queue是一种先进先出(First In First Out,FIFO)的数据结构,它有两个出口。queue允许新增元素、移除元素、从最底端加入元素、取得最顶端元素。但除了最底端可以加入、最顶端可以取出,没有任何其他方法可以存取queue的其他元素。换言之,queue不支持随机访问。

STL以deque作为queue的底层结构,对deque封闭其底端的出口和前端的入口,稍作修改便形成了queue。

2.容器适配器队列类std::queue成员函数

#include<queue>

queue实现先进先出的操作

std::queue<type,container> que;

type为队列操作的数据类型

container为实现队列所用的容器类型,只能为提供了push_front操作的std::deque或std::list,默认基于std::deque

其成员函数如下:

front():返回队首元素的引用

back():返回队尾元素的引用

push(x):把元素x推入(插入)到队尾

pop():队首元素出列(弹出(删除)队首元素)

 

priority_queue

1.priority_queue的基本概念

priority_queue为优先级队列,它允许用户为队列中存储的元素设置优先级。这种队列不是直接将新元素放置在队列尾部,而是放置在比它优先级低的元素前面,即提供了一种插队策略。标准库默认使用<操作符来确定他们之间的优先级关系。即权重大的排在队首。

使用priority_queue时,包含<queue>文件。

2.容器适配器队列类std::priority_queue成员函数

#include<queue>

priority_queue实现先进先出的操作

std::priority_queue<type, container, comp> pri_que;

type为队列操作的数据类型

container为实现队列所用的容器类型,可以为std::vector,std::deque,默认基于deque

comp为排队策略,默认为std::less<>,即插到小于它的元素前

例如std::priority_queue<int,std::vector<int>,std::greater<int> > IntPriQue;

其成员函数如下:

top():返回队首(优先级最高)元素的引用

push(x):将元素推入(按插队策略插排)队列(尾部)

pop():弹出(删除)队首(优先级最高)元素

 

关联式容器

所谓关联式容器,概念上类似关联式数据库(实际上则简单许多):每项数据(元素)包含一个键值(key)和一个实值(value)。当元素被插入到关联式容器中时,容器内部数据结构(可能是RB-tree,也可能是hash-table)便依照其键值大小,以某种特定规则将这个元素放置于适当位置。关联式容器没有所谓头尾(只有最大元素和最小元素),所以不会有push_back(),push_front(),pop_back(),pop_front(),begin(),end()这样的操作。

一般而言,关联式容器的内部结构是一个balanced binary tree(平衡二叉树),以便获得良好的搜索效率。balanced binary tree有很多种类型,包括AVL-tree、RB-tree、AA-tree,其中广泛运用于STL的是RB-tree(红黑树)。

标准的STL关联式容器分为set(集合)和map(映射类)两大类,以及这两大类的衍生体multiset(多键集合)和multimap(多键映射表)。这些容器的底层机制均以RB-tree完成(红黑树)。RB-tree也是一个独立容器,但并不开放给外界使用。

此外,SGI STL还提供了一个不在标准规格之列的关联式容器:hash table(散列表,哈希表),以及以此hash table为底层机制而完成的hash_set(散列集合)、hash_map(散列映射表)、hash_multiset(散列多键集合)、hash_multimap(散列多键映射表)。

 

map

关联式容器std::map成员函数

#include<map>

map建立key-value映射

std::map<key, value> mp;

std::map<key, value, comp> mp;

key为键值

value为映射值

comp可选,为键值对存放策略,例如可为std::less<>,键值映射对将按键值从小到大存储

其成员函数如下:

count():返回map中键值等于key的元素的个数

equal_range():函数返回两个迭代器——一个指向第一个键值为key的元素,另一个指向最后一个键值为key的元素

erase(i):删除迭代器所指位置的元素(键值对)

lower_bound():返回一个迭代器,指向map中键值>=key的第一个元素

upper_bound():函数返回一个迭代器,指向map中键值>key的第一个元素

find(key):返回键值为key的键值对迭代器,如果没有该映射则返回结束游标end()

注意map的[]操作符,当试图对于不存在的key进行引用时,将新建键值对,值为空。

 

通用算法(对以上STL均适用)

#include<algorithm>

1.非修正序列算法:

2.修正序列算法:

3.排序算法:

4.数值算法:

 

参考:

Standard C++ Bible

The C++ Standard Library

The annotated STL sources

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