C++标准模板库(STL)_清晰PDF

### C++标准模板库(STL)知识点解析 #### 一、STL简介 C++标准模板库（Standard Template Library，简称STL）是一系列通用类模板和算法的集合，为C++程序员提供了丰富的数据结构和算法支持。STL的设计目标是提供一种高效、灵活的方式来处理各种类型的数据。 #### 二、顺序性容器 ##### 2.1 C++ Vector（向量容器） - **定义**: `vector` 是一种动态数组，可以在运行时改变其大小。 - **特点**: - **连续存储**: `vector` 内部使用连续的内存空间存储数据，支持随机访问。 - **自动扩展**: 当需要更多的空间时，`vector` 会自动调整其容量。 - **性能**: 在尾部插入或删除元素时性能较好；而在中间插入或删除元素时，性能较差，因为需要移动大量元素。 - **容量管理**: 使用 `capacity()` 函数获取当前分配的内存大小。当数据超出当前容量时，`vector` 会重新分配更大的内存空间，并复制现有数据。 - **应用场景**: 适用于需要频繁在尾部插入或删除数据的情况，例如动态数组的实现。 ##### 2.2 C++ List（双向链表） - **定义**: `list` 是一个双向链表，每个节点包含一个数据元素和指向前后节点的指针。 - **特点**: - **非连续存储**: `list` 的节点存储在不同的内存位置，通过指针连接。 - **快速插入与删除**: 可以在列表的任意位置快速插入或删除元素。 - **遍历**: 支持双向遍历。 - **应用场景**: 适合于需要在列表的任意位置快速插入或删除元素的场景，例如实现链式队列或栈。 ##### 2.3 C++ Deque（双向队列） - **定义**: `deque`（双端队列）是一种可以从两端进行插入或删除操作的序列容器。 - **特点**: - **两端操作**: 支持从两端快速插入或删除元素。 - **随机访问**: 支持随机访问元素。 - **性能**: 插入和删除操作的时间复杂度通常是常数级别。 - **应用场景**: 适合于需要从两端进行操作的情况，例如滑动窗口算法。 ##### 2.4 三者比较 - **Vector** 适合于需要随机访问和在尾部频繁插入或删除元素的场景。 - **List** 适合于需要在列表的任意位置快速插入或删除元素的场景。 - **Deque** 结合了 `vector` 和 `list` 的优点，适合于需要从两端进行操作的场景。 #### 三、关联容器 ##### 3.1 特点 - 关联容器（如 `set`, `map` 等）是基于键值对进行排序的容器。 - 元素是根据键的值自动排序的，因此插入或查找操作的时间复杂度通常是 O(log n)。 - 支持高效的查找操作。 ##### 3.2 C++ Sets & Multisets - **Sets**: 存储唯一键值的有序集合。 - **Multisets**: 存储可能包含重复键值的有序集合。 - **特点**: - **有序**: 内部使用红黑树实现，自动维护键值的排序。 - **查找效率**: 支持高效的查找操作，时间复杂度为 O(log n)。 - **插入与删除**: 插入和删除操作同样具有较高的效率。 ##### 3.3 C++ Maps & Multimaps - **Maps**: 存储键值对的有序集合，其中键是唯一的。 - **Multimaps**: 存储键值对的有序集合，键可以重复。 - **特点**: - **键值对**: 键用于索引，值用于存储数据。 - **查找效率**: 支持高效的查找操作，时间复杂度为 O(log n)。 - **插入与删除**: 插入和删除操作同样具有较高的效率。 #### 四、容器适配器 容器适配器是对基础容器的一种封装，提供特定的功能接口。 ##### 4.1 特点 - 容器适配器不直接拥有元素，而是通过引用或指针间接使用其他容器的元素。 - 提供了一种简单的方法来实现常见的数据结构，如栈、队列等。 ##### 4.2 C++ Stacks（堆栈） - **定义**: 堆栈是一种后进先出（LIFO）的数据结构。 - **特点**: - **顶部操作**: 所有操作都在堆栈的顶部进行。 - **常用操作**: `push()` 添加元素到顶部，`pop()` 移除顶部元素。 - **应用场景**: 适合于需要按照后进先出原则处理数据的场景，例如函数调用栈。 ##### 4.3 C++ Queues（队列） - **定义**: 队列是一种先进先出（FIFO）的数据结构。 - **特点**: - **两端操作**: 元素从一端插入（队尾），从另一端移除（队首）。 - **常用操作**: `push()` 向队尾添加元素，`pop()` 从队首移除元素。 - **应用场景**: 适合于需要按照先进先出原则处理数据的场景，例如任务调度。 ##### 4.4 C++ Priority Queues（优先队列） - **定义**: 优先队列是一种特殊类型的队列，其中元素按优先级排序。 - **特点**: - **最高优先级**: 最高优先级的元素总是第一个被处理。 - **常用操作**: `push()` 添加元素，`top()` 获取最高优先级元素，`pop()` 移除最高优先级元素。 - **应用场景**: 适合于需要按照优先级处理数据的场景，例如任务调度。 #### 五、迭代器 - **定义**: 迭代器是一种对象，用于遍历容器中的元素。 - **特点**: - **多种类型**: 根据容器的不同，迭代器有不同的类型，如输入迭代器、输出迭代器、前向迭代器等。 - **操作**: 支持解引用、递增、递减等操作。 - **应用场景**: 用于遍历容器中的元素，支持多种遍历方式。 #### 六、C++标准库总结 ##### 6.1 容器 - C++标准库提供了多种容器，包括顺序性容器（如 `vector`, `list`, `deque`）和关联容器（如 `set`, `map`）等，以满足不同应用场景的需求。 ##### 6.2 算法 - 标准库还提供了一系列算法，如 `sort()`, `find()`, `reverse()` 等，用于处理容器中的数据。 ##### 6.3 函数对象 - 函数对象是一种特殊类型的对象，可以通过调用操作符的方式使用。 - 通常用于算法函数中，作为比较或处理逻辑的标准。 ##### 6.4 迭代器 - 迭代器提供了访问容器元素的方式，是连接容器和算法的桥梁。 ##### 6.5 分配器 - 分配器用于管理容器中元素的内存分配，是容器的一部分，通常用户不需要直接与之交互。 ##### 6.6 数值 - 标准库还提供了一些数学函数，如 `sin()`, `cos()`, `sqrt()` 等，用于处理数值运算。 C++标准模板库（STL）为程序员提供了一套强大且灵活的工具集，极大地提高了程序开发的效率和质量。无论是数据结构的选择还是算法的应用，STL都能够提供相应的解决方案。