c++标准模板库STL详解

1. 容器（Containers）

容器是用于存储和管理数据的对象，根据存储方式和数据结构的不同，可分为序列式容器、关联式容器和无序关联式容器。

序列式容器

• 原理：元素在容器中按照线性顺序排列，每个元素都有固定的位置。
• 常见容器：
  • std::vector：基于动态数组实现，支持随机访问，在尾部插入和删除元素的时间复杂度为 $O(1)$，在其他位置插入和删除元素的时间复杂度为 $O(n)$。
  • std::list：基于双向链表实现，不支持随机访问，但在任意位置插入和删除元素的时间复杂度为 $O(1)$。
  • std::deque：双端队列，结合了动态数组和链表的优点，支持在头部和尾部高效地插入和删除元素。

关联式容器

• 原理：基于红黑树（一种自平衡二叉搜索树）实现，元素按照键的顺序排列，键是唯一的，通过键可以快速查找元素，查找、插入和删除操作的时间复杂度均为 $O(logn)$。
• 常见容器：
  • std::map：存储键值对，键和值一一对应，按照键的升序排列。
  • std::set：只存储键，键是唯一的，按照键的升序排列。

无序关联式容器

• 原理：基于哈希表实现，通过哈希函数将键映射到哈希表的某个位置，从而实现快速的查找、插入和删除操作，平均时间复杂度为 $O(1)$，但在最坏情况下可能达到 $O(n)$。
• 常见容器：
  • std::unordered_map：存储键值对，键是唯一的，元素无序。
  • std::unordered_set：只存储键，键是唯一的，元素无序。

2. 算法（Algorithms）

算法是一系列操作容器元素的通用函数，它们不依赖于具体的容器类型，只要容器提供了合适的迭代器，就可以使用这些算法。

原理

算法通过迭代器来访问容器中的元素，因此具有高度的通用性。STL 中的算法可以分为排序算法、查找算法、修改算法、比较算法等。

常见算法

• std::sort：对指定范围内的元素进行排序，默认使用快速排序算法，平均时间复杂度为 $O(nlogn)$。
• std::find：在指定范围内查找第一个等于给定值的元素，返回指向该元素的迭代器。
• std::copy：将一个范围的元素复制到另一个范围。

3. 迭代器（Iterators）

迭代器是一种抽象的指针，用于遍历容器中的元素，它提供了一种统一的方式来访问不同类型的容器。

原理

迭代器通过重载指针运算符（如 *、->、++、-- 等）来实现对容器元素的访问和遍历，不同类型的容器可能提供不同类型的迭代器。

迭代器类型

• 输入迭代器：只支持单向遍历和读取元素，如 std::find 算法使用的就是输入迭代器。
• 输出迭代器：只支持单向遍历和写入元素。
• 前向迭代器：支持单向遍历、读取和写入元素，是输入迭代器和输出迭代器的结合。
• 双向迭代器：支持双向遍历、读取和写入元素，如 std::list 提供的迭代器就是双向迭代器。
• 随机访问迭代器：支持随机访问、读取和写入元素，具有最高的灵活性，如 std::vector 提供的迭代器就是随机访问迭代器。

4. 函数对象（Function Objects）

函数对象也称为仿函数，是一种重载了函数调用运算符 () 的类或结构体的对象，它可以像函数一样被调用。

原理

函数对象可以封装一些操作或策略，并且可以携带状态，比普通函数更加灵活。STL 中的许多算法都可以接受函数对象作为参数，以实现不同的操作。

常见用途

• 自定义排序规则：在 std::sort 算法中，可以传入一个函数对象来指定排序的比较规则。

#include 
#include 
#include 

struct Greater {
    bool operator()(int a, int b) const {
        return a > b;
    }
};

int main() {
    std::vector<int> vec = {3, 1, 4, 1, 5, 9, 2, 6, 5};
    std::sort(vec.begin(), vec.end(), Greater());
    for (int num : vec) {
        std::cout << num << " ";
    }
    return 0;
}

5. 适配器（Adapters）

适配器是一种特殊的容器或函数对象，它可以修改或扩展其他容器或函数对象的接口。

原理

适配器通过包装现有的组件，提供新的接口或功能，以满足特定的需求。

常见适配器

• 容器适配器：如 std::stack、std::queue 和 std::priority_queue，它们分别基于 std::vector、std::deque 或 std::list 实现，提供了栈、队列和优先队列的功能。
• 函数适配器：如 std::bind 和 std::not1，可以用于绑定函数参数或取反函数的返回值。

6. 分配器（Allocators）

分配器用于管理容器中元素的内存分配和释放，它提供了一种抽象的内存管理机制，使得容器可以独立于具体的内存分配策略。

原理

分配器是一个模板类，定义了一系列用于内存分配和释放的函数，如 allocate 和 deallocate。STL 中的容器默认使用 std::allocator 作为分配器，但用户也可以自定义分配器。

自定义分配器示例

#include 
#include 
#include 

template <typename T>
class MyAllocator {
public:
    using value_type = T;

    MyAllocator() = default;

    template <typename U>
    MyAllocator(const MyAllocator<U>&) {}

    T* allocate(std::size_t n) {
        return static_cast<T*>(std::malloc(n * sizeof(T)));
    }

    void deallocate(T* p, std::size_t) {
        std::free(p);
    }
};

int main() {
    std::vector<int, MyAllocator<int>> vec;
    vec.push_back(1);
    vec.push_back(2);
    vec.push_back(3);
    for (int num : vec) {
        std::cout << num << " ";
    }
    return 0;
}

总结

STL 的各个组件相互协作，通过模板技术实现了高度的通用性和可复用性。容器提供了数据存储的方式，算法提供了对数据的操作，迭代器作为桥梁连接了容器和算法，函数对象、适配器和分配器则进一步扩展了 STL 的功能和灵活性。