一、簡介

1.起源StandardTemplateLibrary

StandardTemplateLibrary：標準模板庫是一個基于泛型的C++類模板庫由AlexanderStepanov于1994年開發(fā)

其目的是為了提供一致通用和高效的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)和算法,，同時不限制用戶所處理的數(shù)據(jù)類型和編程范式,。STL的原型最初由AndrewKoenig和其它C++專家小組進行設(shè)計并在1995年C++標準委員會的推薦下成為C++標準庫的一部分。

2.發(fā)展歷程

STL的發(fā)展經(jīng)過了一系列的演化過程,。最初是由AlexanderStepanov開發(fā)的SGI-STL（SiliconGraphicsSTL）版本,，后來被許多廠商和開源社區(qū)所采用并發(fā)揚光大。出于對SGI擁有版權(quán)的限制后來形成了多個同源的STL版本,，如STLport,、ApacheSTL等。隨著C++標準的不斷發(fā)展變化,，STL自2000年起多次進行了升級,，包括C++03的修訂版和C++11、C++14,、C++17等標準,。

3.組成部分與內(nèi)部實現(xiàn)原理

STL包含迭代器、容器,、算法,、仿函數(shù)和適配器等五個主要部分。

容器可分為序列式和關(guān)聯(lián)式兩種,，算法主要是對容器中元素進行操作和處理,，仿函數(shù)則是封裝了自定義函數(shù)的類模板。

內(nèi)部實現(xiàn)主要基于模板和泛型編程,，利用C++模板的特性將數(shù)據(jù)類型和算法進行解耦,，使得STL可適用于各種數(shù)據(jù)類型和編程范式,。

下面通過具體的代碼實現(xiàn)來驗證STL強大能力：

使用vector容器存儲元素并使用for循環(huán)不斷向容器中壓入元素

使用transform算法將vector容器中的所有元素都擴大2倍

使用find算法查找vector容器中是否存在元素5若存在則將元素5修改為-5

最終輸出查找前后、變換前后的vector容器元素,，證明STL提供的容器和算法確實可以在效率和正確性上帶來極大的便利,。

```cpp

include

include

include

usingnamespacestd;

intmain{

//聲明一個vector容器

vectorvec;

//將元素壓入vector容器

for(inti=0;i<10;i++){

vec.push_back(i);

}

//原始vector容器元素

for(autoi:vec){

cout<

}

cout<

//將vector容器內(nèi)的所有元素*2

transform(vec.begin,vec.end,vec.begin,[](intelem){returnelem*2;});

//變換后的vector容器元素

for(autoi:vec){

cout<

}

cout<

//查找vector容器中元素5的位置

autofind_it=find(vec.begin,vec.end,5);

//如果找到，則將元素5修改為-5

if(find_it!=vec.end){

*find_it=-5;

}

//查找后的vector容器元素

for(autoi:vec){

cout<

}

cout<

return0;

}

##4.優(yōu)點和局限性

###4.1優(yōu)點

STL采用了統(tǒng)一的模板式的編程方式,，具有代碼重用可移植性好高效性等優(yōu)點,。而且STL已經(jīng)成為C++標準庫的一部分也具有了代碼穩(wěn)定標準化易維護等特點。

###4.2局限

局限性是對于一些復(fù)雜的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)和算法有時會需要自定義容器和迭代器等部分,，并且STL的使用也需要一定的學(xué)習(xí)門檻和理解成本,。

總體來說優(yōu)點遠大于缺點，不僅提高了程序員的開發(fā)效率也推動了C++語言的廣泛應(yīng)用

#二,、容器

##1.定義

C++STL中的容器是一種存儲多個元素的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu),，每個容器都有自己的特性和使用場景。

按照元素的存儲方式可以將其分為以下四種類型：

-序列容器（sequencecontainer）

-關(guān)聯(lián)容器（associativecontainer）

-無序關(guān)聯(lián)容器（unorderedassociativecontainer）

-容器適配器（containeradapter）

##2.序列容器

序列容器中的元素按照某個順序依次被存儲,，常見的幾種序列容器如下：

###2.1vector

-容器特性：動態(tài)數(shù)組支持隨機訪問

-存儲結(jié)構(gòu)：連續(xù)的內(nèi)存空間支持在末尾添加元素

-元素存取方法：使用下標`[]`或迭代器訪問

-使用場景：在需要大量的末尾添加元素以及隨機訪問元素的情況下使用

代碼實現(xiàn)如下：

```cpp

#include

#include

usingnamespacestd;

intmain{

//定義一個vector容器

vectorvec;

//在vector末尾添加元素

vec.push_back(1);//序列號1

vec.push_back(2);//序列號2

vec.push_back(3);//序列號3

//輸出vector中的元素

for(autoi:vec){

cout<

}

cout<

return0;

}

2.2deque

容器特性：雙端隊列支持隨機訪問和在隊頭和隊尾添加和刪除元素

存儲結(jié)構(gòu)：連續(xù)的內(nèi)存塊支持在末尾和頭部添加元素

元素存取方法：使用[]或者迭代器訪問,。

使用場景：當(dāng)需要在隊頭隊尾添加和刪除元素的時候使用。

代碼實現(xiàn)如下：

#include#includeusingnamespacestd;intmain{//定義一個deque容器dequedq;//在deque末尾和頭部添加元素dq.push_back(1);//序列號1dq.push_front(0);//序列號2dq.push_back(2);//序列號3//輸出deque中的元素for(autoi:dq){cout<

2.3list

容器特性：雙向鏈表不支持隨機訪問

存儲結(jié)構(gòu)：雙向鏈表支持在任意位置添加或刪除元素

元素存取方法：只支持前向迭代器訪問

使用場景：當(dāng)需要在任意位置添加或刪除元素的時候使用

代碼實現(xiàn)如下：

#include#includeusingnamespacestd;intmain{//定義一個list容器listlst;//在list中添加元素lst.push_back(1);//序列號1lst.push_back(2);//序列號2lst.push_front(0);//序列號3//輸出list中的元素for(autoi:lst){cout<

2.4forward_list

容器特性：單向鏈表不支持反向遍歷

存儲結(jié)構(gòu)：單向鏈表支持在任意位置添加或刪除元素

元素存取方法：只支持前向迭代器訪問

使用場景：當(dāng)需要在任意位置添加或刪除元素,，而且只需要單向遍歷容器的時候使用

代碼實現(xiàn)如下：

#include#includeusingnamespacestd;intmain{//定義一個forward_list容器forward_listflst;//在forward_list中添加元素flst.push_front(1);//序列號1flst.push_front(2);//序列號2flst.push_front(3);//序列號3//輸出forward_list中的元素for(autoi:flst){cout<

3.關(guān)聯(lián)容器

關(guān)聯(lián)容器中的元素是按照某種方式進行排序的,，因此支持基于排序的元素存儲和訪問。

常見的幾種關(guān)聯(lián)容器有：

3.1set與multiset

容器特性：基于紅黑樹的關(guān)聯(lián)容器,，元素按照從小到大的順序進行排序,，每個元素值都必須唯一，multiset可以存儲多個相同元素

存儲結(jié)構(gòu)：內(nèi)部使用紅黑樹進行實現(xiàn),，支持查找、插入,、刪除元素

元素存取方法：只能通過迭代器訪問,，不支持隨機訪問

使用場景：當(dāng)需要存儲唯一元素，而且需要按照從小到大的順序進行排序的場景

代碼實現(xiàn)如下：

#include#includeusingnamespacestd;intmain{//定義一個set容器setiset;//向set中添加元素iset.insert(1);//序列號1iset.insert(3);//序列號2iset.insert(2);//序列號3//輸出set中的元素for(autoi:iset){cout<

3.2map與multimap

容器特性：基于紅黑樹的關(guān)聯(lián)容器,，存儲元素為鍵值對(key-valuepair),，每個鍵值對的鍵都必須唯一，map只能存儲一個鍵值對,，multimap可以存儲多個相同的鍵值對

存儲結(jié)構(gòu)：內(nèi)部使用紅黑樹進行實現(xiàn),，支持查找、插入,、刪除元素

元素存取方法：只能通過迭代器訪問,，不支持隨機訪問

使用場景：當(dāng)需要存儲唯一鍵值對，而且需要按照鍵進行排序的場景

代碼實現(xiàn)如下：

#include

4.無序關(guān)聯(lián)容器

無序關(guān)聯(lián)容器中的元素是按照哈希表存儲的,，因此支持常數(shù)時間的查找,、插入和刪除操作,。

常見的幾種無序關(guān)聯(lián)容器有：

4.1unordered_set與unordered_multiset

容器特性：基于哈希表的關(guān)聯(lián)容器，元素?zé)o順序,，每個元素值都必須唯一,，unordered_multiset可以存儲多個相同元素

存儲結(jié)構(gòu)：內(nèi)部使用哈希表進行實現(xiàn)，支持常數(shù)時間的查找,、插入,、刪除元素

元素存取方法：只能通過迭代器訪問，不支持隨機訪問

使用場景：當(dāng)需要存儲唯一元素,，而且不需要按照順序進行排序的場景

代碼實現(xiàn)如下：

#include#includeusingnamespacestd;intmain{//定義一個unordered_set容器unordered_setiset;//向unordered_set中添加元素iset.insert(1);//序列號1iset.insert(3);//序列號2iset.insert(2);//序列號3//輸出unordered_set中的元素for(autoi:iset){cout<

4.2unordered_mapun與ordered_multimap

容器特性：基于哈希表的關(guān)聯(lián)容器,，存儲元素為鍵值對(key-valuepair)，每個鍵值對的鍵都必須唯一,，unordered_map只能存儲一個鍵值對,，unordered_multimap可以存儲多個相同的鍵值對

存儲結(jié)構(gòu)：內(nèi)部使用哈希表進行實現(xiàn)，支持常數(shù)時間的查找,、插入,、刪除元素

元素存取方法：只能通過迭代器訪問，不支持隨機訪問

使用場景：當(dāng)需要存儲唯一鍵值對,，而且不需要按照鍵進行排序的場景

代碼實現(xiàn)如下：

#include#includeusingnamespacestd;intmain{//定義一個unordered_map容器unordered_mapimap;//向unordered_map中添加鍵值對imap.insert(pair(3,'three'));//序列號1imap.insert(make_pair(1,'one'));//序列號2imap.insert(unordered_map::value_type(2,'two'));//序列號3//輸出unordered_map中的元素for(autoi:imap){cout<second<

5.容器適配器

容器適配器是一種特殊的容器,，它們的底層實現(xiàn)可以基于其他容器完成。

常見的幾種容器適配器有：

5.1stack

容器特性：棧,，底層實現(xiàn)可以基于vector,、deque或list完成

存儲結(jié)構(gòu)：可以使用vector、deque或list中的一種作為底層實現(xiàn)

元素存取方法：只支持棧頂元素的訪問和刪除

使用場景：當(dāng)需要實現(xiàn)棧結(jié)構(gòu)時,，使用stack容器適配器可以非常方便

代碼實現(xiàn)如下：

#include#includeusingnamespacestd;intmain{//定義一個stack容器stackistack;//向stack中添加元素istack.push(1);//序列號1istack.push(2);//序列號2istack.push(3);//序列號3//輸出stack中的元素while(!istack.empty){inti=istack.top;cout<

5.2queue

容器特性：隊列,，底層實現(xiàn)可以基于deque或list完成

存儲結(jié)構(gòu)：可以使用deque或list作為底層實現(xiàn)

元素存取方法：只支持隊首元素和隊尾元素的訪問和刪除

使用場景：當(dāng)需要實現(xiàn)先進先出的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)時，使用queue容器適配器可以非常方便

代碼實現(xiàn)如下：

#include#includeusingnamespacestd;intmain{//定義一個queue容器queueiqueue;//向queue中添加元素iqueue.push(1);//序列號1iqueue.push(2);//序列號2iqueue.push(3);//序列號3//輸出queue中的元素while(!iqueue.empty){inti=iqueue.front;cout<

5.3priority_queue

容器特性：優(yōu)先隊列,，底層實現(xiàn)可以基于vector或deque完成

存儲結(jié)構(gòu)：可以使用vector或deque作為底層實現(xiàn)

元素存取方法：支持插入和訪問優(yōu)先級最高的元素,，不支持刪除特定元素

使用場景：當(dāng)需要根據(jù)優(yōu)先級存儲元素時，使用priority_queue容器適配器可以非常方便

代碼實現(xiàn)如下：

#include#includeusingnamespacestd;intmain{//定義一個priority_queue容器priority_queueipq;//向priority_queue中添加元素ipq.push(3);//序列號1ipq.push(1);//序列號2ipq.push(2);//序列號3//輸出priority_queue中的元素while(!ipq.empty){inti=ipq.top;cout<

三,、迭代器

迭代器是ST中用來操作容器內(nèi)部元素的一種統(tǒng)一方式,，它將容器中元素的訪問和操作抽象出來，使得程序員可以使用一種統(tǒng)一的方式操作各種容器元素,。

1.1定義

迭代器是一種模板類型可以定義指向容器元素的指針,，通過重載運算符來實現(xiàn)對容器中元素的訪問、修改等操作,。

迭代器可以分為以下幾種：

輸入迭代器（inputiterator）：支持從容器中讀取元素,，一旦讀取，就不能重復(fù)讀取

輸出迭代器（outputiterator）：支持向容器中寫入元素，一旦寫入,，就不能重復(fù)寫入

前向迭代器（forwarditerator）：支持讀寫,、前移操作，對容器進行單向遍歷

雙向迭代器（bidirectionaliterator）：支持讀寫,、前移,、后移操作，對容器進行雙向遍歷

隨機訪問迭代器（randomaccessiterator）：支持讀寫,、前移,、后移、加法,、減法,、下標等操作，對容器進行隨機訪問

1.2常見應(yīng)用

主要應(yīng)用場景是對容器內(nèi)部元素進行遍歷,、訪問,、操作等。STL中的算法函數(shù)和容器的成員函數(shù)都可以用迭代器實現(xiàn),，比如STL中的sort函數(shù),，要求傳入的容器必須是支持隨機訪問迭代器的。

迭代器的使用方法簡單只需要使用迭代器訪問容器中的元素即可

展示迭代器的兩種基本使用方式如下：

使用cbegin和cend訪問vector中的元素,，在訪問元素時,，可以通過解引用的方式訪問迭代器指向的元素，也就是'*iter'

使用begin和end訪問和修改vector中的元素,，在修改元素時,，需要使用指針運算符來對迭代器所指向的元素進行修改，也就是'*iter=new_value'

#include#includeusingnamespacestd;intmain{vectorivec={0,1,2,3,4,5};//使用迭代器輸出vector中的所有元素for(autoiter=ivec.cbegin;iter!=ivec.cend;++iter){cout<<*iter<<'';//輸出每個元素的值}cout<

1.3應(yīng)用技巧

迭代器的應(yīng)用技巧包括迭代器間的算術(shù)運算,、逆向迭代器,、插入迭代器、流迭代器等,。

這些技巧可以大大簡化代碼的編寫提高程序的效率

1.3.1迭代器間的算術(shù)運算

迭代器間的算術(shù)運算包括加法和減法,，可以通過運算得到目標迭代器在容器中的位置

如下所示：

autoiter=ivec.begin;autoiter2=iter+3;//iter2指向ivec中第4個元素autoiter3=iter2-2;//iter3指向ivec中第2個元素

注意的：加法和減法操作運用在容器中的迭代器類型必須支持該運算，只有隨機訪問迭代器支持加減運算

1.3.2逆向迭代器

逆向迭代器是一種反向遍歷容器的迭代器,，可以通過rbegin和rend函數(shù)來訪問

如下所示：

for(autoiter=ivec.rbegin;iter!=ivec.rend;++iter){cout<<*iter<<'';}cout<

注意：逆向迭代器操作和普通迭代器不同，逆向迭代器的++操作實際上是--,，--操作實際上是++,。并且逆向迭代器只能被隨機訪問迭代器進行算術(shù)運算。

1.3.3插入迭代器

插入迭代器是一種特殊的迭代器可以在容器中插入元素,，有back_inserter,、front_inserter和inserter三種類型。

back_inserter示例如下：

vectorivec={0,1,2,3,4,5};vectornew_vec;copy(ivec.cbegin,ivec.cend,back_inserter(new_vec));

1.3.4流迭代器

流迭代器是一種迭代器類型，可以使用iostream對象來進行輸入和輸出

如下所示：

#include#include#includeusingnamespacestd;intmain{vectorivec={0,1,2,3,4,5};copy(ivec.begin,ivec.end,ostream_iterator(cout,''));cout<

注意：輸出迭代器可以通過繼承std::iterator類來實現(xiàn),，使得輸出操作與容器對象的類型無關(guān)

四,、算法

1.1STL中常見算法及其應(yīng)用場景

STL中提供了許多常見的算法實現(xiàn)，包括查找,、排序,、變序、合并等,。這些算法適用于大部分容器類型如vector,、list、set,、map

1.1.1查找

find：在指定區(qū)間查找特定元素,，返回指向該元素的迭代器。

binary_search：在有序區(qū)間查找特定元素,，返回bool類型結(jié)果,。

count：在指定區(qū)間計數(shù)特定元素的個數(shù)。

應(yīng)用場景：常用于查找,、比較操作

1.1.2排序

sort：排序指定區(qū)間的元素,。

stable_sort：排序指定區(qū)間的元素，保持穩(wěn)定性,。

partial_sort：部分排序,，將指定區(qū)間元素排在前面，其余元素排序用默認比較函數(shù)處理,。

應(yīng)用場景：常用于排序操作

1.1.3變序

reverse：將指定區(qū)間的元素反轉(zhuǎn),。

rotate：讓指定區(qū)間的元素旋轉(zhuǎn)。

shuffle：調(diào)用隨機數(shù)引擎并按照指定方式隨機重排區(qū)間內(nèi)的元素,。

應(yīng)用場景：常用于計算機圖形學(xué),、游戲開發(fā)

1.1.4合并

merge：將兩個已經(jīng)排好序的序列合并成一個排序的序列。

merge_backward：將兩個已經(jīng)排好序的序列合并成一個排序的序列,，但合并后的元素保持原序列的穩(wěn)定性,。

應(yīng)用場景：常見于歸并排序

1.1.5算術(shù)操作

accumulate：計算指定區(qū)間元素的總和。

inner_product：計算指定區(qū)間兩個元素序列的內(nèi)積,。

adjacent_difference：計算相鄰元素之間的差值,。

partial_sum：由相鄰元素的和序列輸出指定序列部分和。

應(yīng)用場景：常用于數(shù)學(xué)計算,、統(tǒng)計分析等

1.2復(fù)雜度分析與優(yōu)化

大多數(shù)STL算法的復(fù)雜度都處于時間復(fù)雜度為O(nlogn)的級別,，因此在處理大量數(shù)據(jù)時，時間復(fù)雜度的優(yōu)化尤為重要,。

下面介紹幾種常見的算法復(fù)雜度分析：

1.2.1排序算法

排序算法的復(fù)雜度主要取決于比較次數(shù),，因此需要盡可能減少比較次數(shù)以提高排序效率。常見的排序算法包括快速排序、歸并排序和堆排序,，其中快速排序相對來說效率更高,，但在極端情況下會出現(xiàn)O(n2)的最壞情況。

1.2.2查找算法

查找算法的時間復(fù)雜度與數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)有關(guān),，常見的查找算法有線性查找,、二分法查找、哈希表查找等等,。其中二分法查找適用于已經(jīng)排序的序列,，時間復(fù)雜度為O(logn)；哈希表查找適用于無序序列時間復(fù)雜度可達到O(1),。

1.2.3變序算法

變序算法的性能優(yōu)化方法主要是減少數(shù)據(jù)訪問次數(shù),，例如在計算機圖形學(xué)中常用的octree空間索引算法，通過將數(shù)據(jù)存儲在八叉樹結(jié)構(gòu)中可以實現(xiàn)高效的空間數(shù)據(jù)查詢,。

1.3基于范型編程的算法設(shè)計

范型編程是一種基于模板和泛型的編程思想,，可以有效地提高代碼復(fù)用性和可擴展性。STL正是基于此思想設(shè)計的,，因此STL的大多數(shù)算法都是基于范型編程的,。

基于范型編程的算法設(shè)計主要體現(xiàn)在：使用模板參數(shù)代替實際數(shù)值類型，可以適用于多種不同數(shù)據(jù)類型的處理,；使用STL的迭代器實現(xiàn)容器的訪問和操作,，可以適用于多種不同容器類型的處理。

例如在STL中sort函數(shù)使用迭代器實現(xiàn)對任意容器的排序操作

代碼如下：

templatevoidsort(RandomAccessIteratorfirst,RandomAccessIteratorlast);

其中RandomAccessIterator是隨機訪問迭代器,，可以適用于多種不同容器類型的處理,。

使用sort函數(shù)進行排序的代碼示例：

#include#include#includeusingnamespacestd;intmain{vectorv={1,2,7,4,5,6,3,8,9,0};std::sort(v.begin,v.end);for(autoi:v){cout<

五、小結(jié)回顧

本文主要介紹了StandardTemplateLibrary中的三個核心組件：容器,、迭代器和算法,。容器是用于存儲和管理數(shù)據(jù)的對象，包括vector,、list,、set、map等,。而迭代器是容器的訪問方式用于遍歷容器中的元素,。最后介紹了STL算法的基本分類、應(yīng)用場景以及復(fù)雜度分析,，STL是C++編程中重要掌握部分其知識對于提高程序開發(fā)效率和編程能力至關(guān)重要,，讓我們下篇文章繼續(xù)學(xué)習(xí)。