STL总结

STL的本质STL的六大组件

容器算法迭代器

迭代器实现原理迭代器与类的融合反向迭代器 适配器仿函数空间配置器

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：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。 以下只列出了部分常用的算法：

accumulate

// 对[first, last)区间中元素在init的基础上进行累加
template  T accumulate ( InputIterator first, InputIterator last, T init );
// 对[fist, last)区间中元素在init的基础上按照binary_op指定的操作进行累加
template  T accumulate ( InputIterator first, InputIterator last, T init,
 BinaryOperation binary_op );

#include
#include 
#include 
using namespace std;
struct Mul2
{
	int operator()(int x, int y) { return x + 2 * y; }
};
int main()
{
	// 对区间中的元素进行累加
	vector v{ 10, 20, 30 };
	cout << accumulate(v.begin(), v.end(), 0) << endl;//60
	// 对区间中的每个元素乘2，然后累加
	cout << accumulate(v.begin(), v.end(), 0, Mul2()) << endl;//120
	return 0;
}

count与count_if
该算法的作用是统计区间中某个元素出现的次数。

// 统计value在区间[first，last)中出现的次数
template 
ptrdiff_t count ( InputIterator first, InputIterator last, const T& value )
{
 ptrdiff_t ret=0;
 while (first != last) if (*first++ == value) ++ret;
 return ret; 
}
// 统计满足pred条件的元素在[first, last)中的个数
template 
ptrdiff_t count_if ( InputIterator first, InputIterator last, Predicate pred )
{
 ptrdiff_t ret=0;
 while (first != last) if (pred(*first++)) ++ret;
 return ret; 
}

#include
#include 
#include 
using namespace std;
bool IsOdd(int i)
{
	return ((i % 2) == 1);
}
int main()
{
	// 统计10在v1中出现的次数
	vector v1{ 10, 20, 30, 30, 20, 10, 10, 20 };
	cout << count(v1.begin(), v1.end(), 10) << endl;//3
	// 统计v2中有多少个偶数
	vector v2{ 0,1,2,3,4,5,6,7,8,9 };
	cout << count_if(v2.begin(), v2.end(), IsOdd) << endl;//5
	return 0;
}

find、find_if
该算法的作用是找元素在区间中第一次出现的位置。

// 在[first, last)中查找value第一次出现的位置，找到返回该元素的位置，否则返回last
// 时间复杂度O(N)
template
InputIterator find ( InputIterator first, InputIterator last, const T& value )
{
 for ( ;first!=last; first++) if ( *first==value ) break;
  return first;
} 
// 在[first, last)中查找满足pred条件的元素第一次出现的位置，找到返回该位置，否则返回last
// 时间复杂度O(N)
template
InputIterator find_if ( InputIterator first, InputIterator last, Predicate pred )
{
 for ( ; first!=last ; first++ ) if ( pred(*first) ) break;
 return first; 
}

#include
#include 
#include 
using namespace std;
bool IsOdd(int i)
{
	return ((i % 2) == 1);
}
int main()
{
	// 找到10的位置，返回迭代器
	vector v1{ 10, 20, 30, 30, 20, 10, 10, 20 };
	auto it1 = find(v1.begin(), v1.end(), 10);
	// 找到第一个奇数的位置，返回迭代器
	vector v2{ 0,1,2,3,4,5,6,7,8,9 };
	auto it2 = find_if(v2.begin(), v2.end(), IsOdd);
	return 0;
}

max和min
max返回两个元素中较大值，min返回两个元素中较小值。

template 
const T& max(const T& a, const T& b) {
 return (a
const T& min(const T& a, const T& b) 
{
 return !(b 
merge
 该算法作用将两个有序序列合并成一个有序序列, 使用时必须包含头文件。
 
template 
OutputIterator merge ( InputIterator1 first1, InputIterator1 last1,
 InputIterator2 first2, InputIterator2 last2,
 OutputIterator result )
{
 while (true) 
 {
 *result++ = (*first2<*first1)? *first2++ : *first1++;
 if (first1==last1) return copy(first2,last2,result);
 if (first2==last2) return copy(first1,last1,result);
 }
}

template
  OutputIterator copy (InputIterator first, InputIterator last, OutputIterator result)
{
  while (first!=last) {
    *result = *first;
    ++result; ++first;
  }
  return result;
}
 
#include 
#include 
#include 
#include
using namespace std;
int main()
{
	vector v{ 2, 6, 5, 8 };
	list L{ 9, 3, 0, 5, 7 };
	sort(v.begin(), v.end());
	L.sort();
	vector vRet(v.size() + L.size());
	merge(v.begin(), v.end(), L.begin(), L.end(), vRet.begin());
	for (auto e : vRet)
		cout << e << " ";//0 2 3 5 5 6 7 8 9
	cout << endl;
	return 0;
}
 
注意：
 
使用时必须保证区间有序时间复杂度为O(M+N) 
partial_sort
 该算法的作用是：找TOPK。
 
// 在区间[first, last)中找前middle-first个最小的元素，并存储在[first, middle)中
template 
void partial_sort(RandomAccessIterator first, RandomAccessIterator middle,
 RandomAccessIterator last);
// 在[first, last)中找前middle-first个最大或者最小的元素，并存储在[first, middle)中
template 
 void partial_sort(RandomAccessIterator first, RandomAccessIterator middle,
 RandomAccessIterator last, Compare comp);
 
partial_sort的实现原理是：对原始容器内区间为[first, middle)的元素执行make_heap()操作构造一个最大堆，然后拿[middle, last)中的每个元素和first进行比较，first内的元素为堆内的最大值。如果小于该最大值，则互换元素位置，并对[first, middle)内的元素进行调整，使其保持最大堆序。比较完之后在对[first, middle)内的元素做一次对排序sort_heap()操作，使其按增序排列。注意，堆序和增序是不同的。因此该算法的功能实际就是：TOP-K。
 
#include 
#include 
#include
using namespace std;
int main()
{
	// 找该区间中前4个最小的元素, 元素最终存储在v1的前4个位置
	vector v1{ 4, 1, 8, 0, 5, 9, 3, 7, 2, 6 };
	partial_sort(v1.begin(), v1.begin() + 4, v1.end());
	// 找该区间中前4个最大的元素, 元素最终存储在v1的前4个位置
	vector v2{ 4, 1, 8, 0, 5, 9, 3, 7, 2, 6 };
	partial_sort(v2.begin(), v2.begin() + 4, v2.end(), greater());
	return 0;
}
 
partition
 该算法的作用是按照条件对区间中的元素进行划分，使用时必须包含头文件。
 
template 
BidirectionalIterator partition(BidirectionalIterator first,
 BidirectionalIterator last, Predicate pred) {
 while (true)
 {
 while (first!=last && pred(*first)) ++first;
 if (first==last--) break;
 while (first!=last && !pred(*last)) --last;
 if (first==last) break;
 swap (*first++,*last);
 }
 return first; 
}
 
#include 
#include 
#include
using namespace std;
bool IsOdd(int i)
{
	return (i % 2) == 1;
}
int main()
{
	vector v{ 0,1,2,3,4,5,6,7,8,9 };
	// 将区间中元素分割成奇数和偶数两部分
	auto div = partition(v.begin(), v.end(), IsOdd);
	// 打印[begin, div)的元素
	for (auto it = v.begin(); it != div; ++it)
		cout << *it << " ";//9 1 7 3 5
	cout << endl;
	// 打印[div, end)的元素
	for (auto it = div; it != v.end(); ++it)
		cout << " " << *it;// 4 6 2 8 0
	cout << endl;
	return 0;
}
 
reverse
 该算法的作用是对区间中的元素进行逆置，使用时必须包含头文件。
 
template 
void reverse ( BidirectionalIterator first, BidirectionalIterator last) {
 while ((first!=last)&&(first!=--last))
 swap (*first++,*last);
}
 
sort
 排序在实际应用中需要经常用到，而在目前的排序中，快排平均情况下是性能最好的一种排序，但是快排也有其自身的短板，比如说：元素接近有序、元素量比较大的情况下，直接使用快排时，堪称一场灾难。因此STL中sort算法并没有直接使用快排，而是针对各种情况进行了综合考虑。下面关于sort函数分点进行说明：
 
1). sort函数提供了两个版本
 
sort(first, last)：默认按照小于方式排序，排序结果为升序，一般用排内置类型数据。sort(first, last, comp)：可以通过comp更改元素比较方式，即可以指定排序的结果为升序或者降序，一般以仿函数对象和函数指针的方式提供。 
2).sort并不是一种排序算法，而是将多个排序算法混合而成
 3).当元素个数少于__stl_threshold阈值时(16)，使用直接插入排序处理
 4).当元素个数超过__stl_threshold时，考虑是否能用快排的方式排序，因为当元素数量达到一定程度，递归式的快排可能会导致栈溢出而崩溃，因此：
 
通过__lg函数判断递归的深度 
template 
inline Size __lg(Size n) 
{ 
 Size k;
 for (k = 0; n > 1; n >>= 1) ++k;
 return k; 
}
 
如果递归的深度没有超过2log2N 时，则使用快排方式排序，注意：快排时使用到了三数取中法预防分割后一边没有数据的极端情况。如果递归深度超过2log2N 时，说明数据量大，递归层次太深，可能会导致栈溢出，此时使用堆排序处理。
 C++一道深坑面试题：STL里sort算法用的是什么排序算法？ 
unique
 该函数的作用是删除区间中相邻的重复性元素，确保元素唯一性，注意在使用前要保证区间中的元素是有序的，才能达到真正的去重。
 
// 元素不相等时，用后一个将前一个元素覆盖掉
template 
ForwardIterator unique ( ForwardIterator first, ForwardIterator last );
// 如果元素不满足pred条件时，用后一个将前一个覆盖掉
template 
 ForwardIterator unique ( ForwardIterator first, ForwardIterator last,
 BinaryPredicate pred );
template 
ForwardIterator unique ( ForwardIterator first, ForwardIterator last )
{
 ForwardIterator result=first;
 while (++first != last)
 {
 if (!(*result == *first))
  // or: if (!pred(*result,*first)) for the pred version
 *(++result)=*first;
 }
 return ++result; 
}
 
注意：
 1). 该函数并不是将重复性的元素删除掉，而是用后面不重复的元素将前面重复的元素覆盖掉了。
 2). 返回值是一个迭代器，指向的是去重后容器中不重复最后一个元素的下一个位置。
 3). 该函数需要配合erase才能真正的将元素删除掉。
 
#include 
#include 
#include
using namespace std;
int main()
{
	vector v{ 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 9, 8, 7, 6, 5, 4, 3, 2, 1 };
	auto it = unique(v.begin(), v.end());

	for (auto e : v)
		cout << e << " ";//1 2 3 4 5 6 7 8 9 8 7 6 5 4 3 2 1 1
	cout << endl;
	
	v.erase(it, v.end());

	// 如果想将区间中所有重复性的元素删除掉，可以先对区间中的元素进行排序
	for (auto e : v)
		cout << e << " ";//1 2 3 4 5 6 7 8 9 8 7 6 5 4 3 2 1
	cout << endl;
	// 先对区间中的元素进行排序，另重复的元素放在相邻位置
	sort(v.begin(), v.end());
	for (auto e : v)
		cout << e << " ";//1 1 2 2 3 3 4 4 5 5 6 6 7 7 8 8 9
	cout << endl;
	// 使用unique将重复的元素覆盖掉
	it = unique(v.begin(), v.end());
	// 将后面无效的元素移除
	v.erase(it, v.end());
	for (auto e : v)
		cout << e << " ";//1 2 3 4 5 6 7 8 9
	cout << endl;
	return 0;
}
 
next_permutation和pre_permutation
 next_permutation是获取一个排序的下一个排列，可以遍历全排列，prev_permutation刚好相反，获取一个排列的前一个排列, 使用时必须包含头文件。
 对序列 {a, b, c}，每一个元素都比后面的小，按照字典序列，固定a之后，a比bc都小，c比b大，它的下一个序列即为{a, c, b}，而{a, c, b}的上一个序列即为{a, b, c}，同理可以推出所有的六个序列为：{a, b,c}、{a, c, b}、{b, a, c}、{b, c, a}、{c, a, b}、{c, b, a}，其中{a, b, c}没有上一个元素，{c, b, a}没有下一个元素。
 注意：使用时，必须保证序列是有序的。他们排完之后，仍然是升序或者降序。
 
#include 
#include 
#include
using namespace std;
int main()
{
	// 因为next_permutation函数是按照大于字典序获取下一个排列组合的
	// 因此在排序时必须保证序列是升序的
	vector v = { 4, 1, 2, 3 };
	sort(v.begin(), v.end());

	do
	{
		cout << v[0] << " " << v[1] << " " << v[2] << " " << v[3] << endl;
	} while (next_permutation(v.begin(), v.end()));
	cout << endl;

	// 因为prev_permutation函数是按照小于字典序获取下一个排列组合的
	// 因此在排序时必须保证序列是降序的
	sort(v.begin(), v.end(), greater());
	do
	{
		cout << v[0] << " " << v[1] << " " << v[2] << " " << v[3] << endl;
	} while (prev_permutation(v.begin(), v.end()));
	return 0;
}
 
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。
 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
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。
 
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：
 
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。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：
 
迭代器能够像指针一样方式进行使用：重载pointer operator*() / reference operator->()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)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
 
迭代器与类的融合 
定义迭代器类在容器类中统一迭代器名字
 比如list：
 
template 
class list
{
 // ...
 typedef __list_iterator iterator;
 // ...
}
 
在容器类中添加获取迭代器范围的接口：
 
template 
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。迭代器适配器：（反向迭代器、插入迭代器、IO流迭代器）函数适配器：函数适配器能够将仿函数和另一个仿函数（或某个值、或某个一般函数）结合起来。 
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 
#include 
#include
using namespace std;
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 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;//2 4 6 8 10 12 14 16 18 0
	// 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 << " "; });//2 4 8 10 14 16
	cout << endl;
	for_each(v.begin(), v.end(), [](int& data) {data *= 10; });
	cout << endl;
	for_each(v.begin(), v.end(), [](int data) {cout << data << " "; });//20 40 80 100 140 160
	cout << endl;
	return 0;
}
 
空间配置器 
空间配置器，顾名思义就是为各个容器高效的管理空间(空间的申请与回收)的，在默默地工作。
 前面在模拟实现vector、list、map、unordered_map等容器时，所有需要空间的地方都是通过new申请的，虽然代码可以正常运行，但是有以下不足之处：
 
空间申请与释放需要用户自己管理，容易造成内存泄漏频繁向系统申请小块内存块，容易造成内存碎片频繁向系统申请小块内存，影响程序运行效率直接使用malloc与new进行申请，每块空间前有额外空间浪费申请空间失败怎么应对代码结构比较混乱，代码复用率不高未考虑线程安全问题 
因此需要设计一块高效的内存管理机制。
 内存池介绍