C++之STL

Posted 2023-05-09 ElevHe

面向对象三大特性：封装、继承、多态

封装：复用性高的模块抽象出来，进行整理，作为一个整体，提高了代码的复用性

继承：子类继承父类，把父类中所有的属性和行为都获得，不用再次声明，也提高了代码的复用　　

多态：一个函数名称有多个接口，由于对象不同，父类指针指向子类对象，对象创建的不同，调用一个接口获得的内容不同，会产生不同的形态 

STL 即标准模板库，从广义上分为：容器(container)　　算法(algorithm)　　迭代(iterator)

 容器和算法之间通过迭代器进行无缝连接

 

STL 六大组件

容器、算法、迭代器、仿函数、适配器（配接器）、空间配置器

1、容器：各种数据结构，如vector、list、deque、set、map等，用来存放数据

2、算法：各种常用算法，如sort、find、copy、for_each等

3、迭代器：扮演容器与算法之间的胶合剂

4、仿函数：行为类似函数，可作为算法的某种策略

5、适配器：用来修饰容器或者仿函数或迭代器接口的东西

6、空间配置器：负责空间的配置与管理

 

一、容器

分为序列式容器和关联式容器

序列式容器：强调值的排序，其中每个元素都有其固定的位置

关联式容器：二叉树结构，各元素间没有严格物理意义上的顺序关系

 

二、算法

算法分为质变算法与非质变算法

质变算法：运算过程中会更改区间内元素内容。如：拷贝，替换，删除等

非质变算法：运算过程中不改变区间内元素内容。如：查找、遍历、寻找极值等

 

三、迭代器

提供一种方法，使之能够依序寻访某个容器所含的各个元素，而又不会暴露该容器的内部表达方式

每个容器都有自己的专属迭代器。

迭代器种类：

1.输入迭代器2.输出迭代器3.前向迭代器4.双向迭代器5.随机访问迭代器

常用4、5

四、仿函数

仿函数（Functor）又称为函数对象（Function Object）是一个能行使函数功能的类。

通过重载括号运算符实现

STL之string认识

写在前面

我们总算是接触到C++的STL了，这是C++模块中很重要的一部分，可以这么说，如果你学C++没有学过STL，那么你的C++很大概率是残缺的，我们学习STL主要学习两个层次，第一个是可以使用，第二个是知道它们的底层，至于更高层次的，现在的我还没有达到，就不和大家分享了。我们先来简单的认识一下STL，有一个大致的了解，今天主要的内容时string。

什么是STL

STL(standard template libaray-标准模板库)：是 C++ 标准库的重要组成部分，不仅是一个可复用的组件库，而且是一个包罗数据结构与算法的软件框架。我之前和大家分享过数据结构的知识，也和大家用C语言写过，但是它们的可用性有点低，你在写OJ题时，使用C语言，你会发现有的时候还要自己实现数据结构，大佬们也是有这样的困扰，所以出现STL，使用的便是泛型编程，这也是我们前面谈模板的原因。

STL版本

我们学习STL共有三个版本，里面的功能都大致一样。

• 原始版本 Alexander Stepanov、Meng Lee 在惠普实验室完成的原始版本，这是最初的STL
• P. J. 版本 继承HP版本，被微的VS系列使用，代码可读性底
• SGI版本 继承自HP版 本。被GCC(Linux)采用，可移植性好，阅读性非常高。我们后面学习STL要阅读部分源代码，主要参考的就是这个版本。

STL 组件

STL的六大组件，大家直接看着图片吧，后面的内容都会涉及到，这里大家先来认识一下。

string

我们先来认识一下什么是string，简单来说，string在C语言里我们认识的字符串，在OJ中，有关字符串的题目基本以string类的形式出现，而且在常规工作中，为了简单、方便、快捷，基本都使用string类，很少有人去使用C库中的字符串操作函数 。由于我们比较常用，所以大佬们就把这个给变成了模板类了，某种意义上来说，string不属于STL，它的出现要早的多。

认识string

先看看STL里面关于string的分类，我们可能会感到疑惑，这里怎么会有四种string，我们要学习的是哪一种，SLT不是模板吗，为何这里string看着不像...这些问题我们一个一个解决.

字符编码表

在谈为何会有四种string之前?我们需要谈谈什么是字符编码表.我们都知道在计算机世界中,它们只认识0和1,但是现实世界中,我们是有类似汉语,英语的语言的,我们该如何把现实世界和计算机世界给联系起来呢?这就是字符编码表的作用.最初的字符编码表是由美国提出的,叫做ASCII码,是不支持中文的.

为了编码属于各自国家的字符表,中国编出了GBK,使用的是16位的二进制,但是各国还没有一个统一的标准,这时候国际组织ISO制定了Unicode，也叫万国码．

我们已经知道了字符表的历史,所谓的四种string就是为了支持不同位的字符,是的,我们不是只有char这一个字符类型,我们主要学习的就似乎string,他们四个用法大概差不多,学会了一个,另外几个查查文档就可以了.

int main()

  cout << "string    : " << sizeof(char) << endl;
  cout << "u16string : " <<  sizeof(char16_t) << endl;
  cout << "u32string : " <<  sizeof(char32_t) << endl;
  cout << "wstring   : " <<  sizeof(wchar_t) << endl;
  return 0;

string 是模板码

是的,我们看到的string是typedef过的,也就是它是参数为char类型的模板.

string 的底层

string的底层是一个可以动态开辟的字符数组,这一点大家一定要记住,后面我们模拟实现的时候就是按照这个来的.

int main()

  string s("hello");
  return 0;

我们来真正的看看这个数组,避免出现问题.

使用string

现在我们就可以使用string,我们使用的时候需要包头文件,而且还需要放出std里面的string,少说多做,我们看看就明白了.

#include <iostream>
#include <string>

using std::string;

int main()

  std::string s1;  // 或者直接放出
  string s2;
  return 0;

构造函数

现在我们就可以正式接触string里面的内容了,注意C98中string里面存在七个构造函数,但是我们不是每一个都常用,这里我来简绍的有四个.

构造函数	函数说明
string()	构造一个空字符串
string(const string& str)	拷贝构造,深拷贝
string(const char* s)	通过一个字符串来构造
string(size_t n, char c)	构造一个含有 n 个 c字符的字符串

我们现在分别来演示一下.

string()

int main()

  string s;
  return 0;

string(const char* s)

int main()

  string s("hello string");
  return 0;

string(size_t n, char c)

int main()

  string s(10,a);
  return 0;

string(const string& str)

int main()

  string s1("hello");
  string s2(s1);
  return 0;

长度 & 容量

我们知道了string底层是一个动态开辟的数组,那么string支持了计算我们string对象的有效长度和容量的函数我们直接看看吧.

size() & length()

这两个都是计算string对象的有效长度的,唯一的区别就是函数名不同罢了,length()是最初的方法,我们字符串的有效长度可以形容为length,但是后面的哈希表等就有点说不过去了,所以增加了size()这个函数,为了保持命名的规范性,仅此而已.

int main()

  string s("hello");
  cout << s.size() << endl;
  cout << s.length() << endl;
  return 0;

capacity()

计算是当前对象的容量,也就是数组的长度.

int main()

  string s("hello");
  cout << s.capacity() << endl;
  return 0;

max_size()

这个函数就是我们字符串最大能开多长,一般是没有人用的,这里我就提一下就可以了.

int main()

  string s;
  cout << s.max_size() << endl;
  return 0;

operator[\\] & at()

string重载了[\\]这运算符,可以支持下标访问,这里的at()的作用和[\\]作用是一样的,只不过是早期版本,功能上没有什么区别.

int main()

  string s("hello");
  cout << s[1] << endl;
  cout << s.at(1) << endl;
  return 0;

越界访问

我们访问的如果是有效字符的下一个位置,返回的是一个\\0,大家现在还不知道底层,但是我们知道空字符串里面是包含一个\\0 的,这是为了兼容C语言.

int main()

  string s("hello");
  if (s[5] == \\0)
  
    cout << "s[5] == \\\\0 " << endl;
  
  return 0;

但是如果我们越界访问了,VS编译器会出现报错.

int main()

  string s("hello");
  s[16];
  return 0;

遍历string

遍历string我们存在三种方法，这三种方法也是我们经常用到的。

• 使用 下标
• 使用 迭代器 这个我们重点谈
• 使用 范围for

###　下标访问

string这个类是重载了[\\]这个运算符的，再加上string底层是一个数组，它是支持随机访问的，

int main()

  string s("hello");
  for (size_t i = 0; i < s.size(); i++)
  
    cout << s[i] << " ";
  
  cout << endl;
  return 0;

迭代器访问

或许你还对迭代器有点疑惑,不知道它是什么,这样吧,我简单的说一下,所谓的迭代器就是我们遍历STL最常用的方法.是的,你没有看错,不是所有的STL底层都是连续的空间,也就是说使用下标访问是不具有普遍性的.

string中的迭代器就是一个原生指针,其中迭代器又分为四种.我们来看看吧.

正向迭代器

这里我直接用两种方式来访问,一个是const修饰的,一个可修改的.

下面的是正向迭代器指向的地方,注意end()指向的有效字符的下一个位置.

可以修改迭代器指向的内容

int main()

  string s("hello");
  string::iterator it = s.begin();
  while (it != s.end())
  
    cout << *it << " ";
    it++;
  
  cout << endl;

  return 0;

如果我们想要修改迭代器指向的内容,这里就可以知道了.

int main()

  string s("hello");
  string::iterator it = s.begin();
  while (it != s.end())
  
    (*it)++;
    cout << *it << " ";
    it++;
  
  cout << endl;

  return 0;

如果我们不想修改迭代器指向的数据,可以直接调用const修饰的迭代器

这个迭代器的主要应用是给那些不想修改的string,我们看看应用.

void func(const string& str)

  string::const_iterator it = str.cbegin();
  while (it != str.cend())
  
    cout << *it << " ";
    it++;
  
  cout << endl;

int main()

  string s("hello");
  func(s);
  return 0;

反向迭代器

谈完了正向的迭代器,这里就要谈谈什么是反向迭代器,它的作用也是遍历string,只不过是反这遍历的.

这个迭代器是可以修改的,这里就不修改了.

int main()

  string str("hello");
  string::reverse_iterator rit = str.rbegin();
  while (rit != str.rend())
  
    cout << *rit << " ";
    rit++;
  
  cout << endl;
  return 0;

现在还有可以反向的const修饰的迭代器,我们用用就可以了,具体的就不谈了.

int main()

  string str("hello");
  string::const_reverse_iterator rit = str.crbegin();
  while (rit != str.crend())
  
    cout << *rit << " ";
    rit++;
  
  cout << endl;
  return 0;

范围 for

范围 for就比较简单了,但是有一个缺陷,就是一次肯定遍历完

int main()

  string str("hello");
  for (auto ch : str)
  
    cout << ch << " ";
  
  cout << endl;
  return 0;

它看着比较高大上,实际上底层也是对迭代器的复用,这里的复用的迭代器是可以修改的那种

push_back()

string支持尾部插入一个字符,如果容量不够,编译器会自动扩容.

int main()

  string s;
  s.push_back(a);
  s.push_back(b);
  s.push_back(c);
  s.push_back(d);
  cout << s << endl;
  return 0;

string 扩容机制

我们知道了string的底层是一个动态数组,我们现在想看看它是如何扩容的.

从这里我们可以看出,不同编译器的扩容规则是不一样的,VS下是1.5倍扩容,g++是2倍扩,而且刚开始VS就开辟了15个空间,g++没有开

reserve()

大家都知道,扩容是代价的,有的时候需要再次开辟空间和进行数组的拷贝，如果我们要是知道总共开辟的空间,那么提前开辟好不是更好吗,这就是这个函数的作用.

• 只改变容量
• 不改变 size,也就是你可以理解为它是只扩容.

注意,reserve()函数开辟的空间不一定和我们要的一样,需要内存对齐的,但是大差不差.

int main()

  string s;
  s.reserve(100);
  return 0;

但是这里就有两个疑问了,如果我们的N大于现在存在的存在的容量会怎么样,小于又会怎么样?这里我们来讨论一下.

N > capacity

这个和上面的一样,会自动扩容,只改变capacity,不改变size.

int main()

  string s("aaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaa");
  int size = s.size();
  cout << size << endl;
  s.reserve(s.capacity() + 20);
  return 0;

N < capacity

这种情况如果发生,不会出现任何变化.

int main()

  string s("aaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaa");
  cout << "原始 size " << s.size() << endl;
  cout << "原始 capacity() " << s.capacity() << endl;
  s.reserve(15);


  cout << "size " << s.size() << endl;
  cout << "capacity() " << s.capacity() << endl;
  return 0;

resize()

这个函数的作用从名字上面就可以看出它是重置size,也就是说,我们重新指定尾插数据的地方,如果空间不够,编译器会自动扩容.但是这里有两个函数,本质上是一个缺省函数.

int main()

  string s;
  cout << "size " << s.size() << endl;
  cout << "capacity() " << s.capacity() << endl;

  s.resize(20);
  cout << "size " << s.size() << endl;
  cout << "capacity() " << s.capacity() << endl;
  return 0;

void resize (size_t n)

这个是重置 N个空间,从开始的那里开始数,数到下标为N的地方,这个及其以后都重置的空间变成\\0.这里分为三种情况.这里我们就来讨论两种共情况,第三种就是扩容的情况.

情况一

int main()

  string s;
  s.push_back(a);
  s.push_back(b);
  s.push_back(b);
  s.push_back(b);
  s.push_back(b);
  s.resize(2);
  
  return 0;

情况二

int main()

  string s;
  s.push_back(a);
  s.push_back(b);
  s.push_back(b);
  s.resize(7);
  
  return 0;

这里我就给一个总结,所谓的resize就是把有效元素的最后一个位置的后一个位置给改变,改成下标是N,凡是和原来的有效位置之间的距离，都给我变成\\0.

void resize (size_t n, char c)

这个就更加简单了,没有什么可以说的,也符合上面的两种规则,也符合不够的扩容规则.就是把默认的\\0改成我们想要的字符,这里就不解释其他的情况了.

int main()

  string s;
  s.push_back(a);
  s.push_back(b);

  s.resize(20,1);
  cout << s << endl;
  return 0;

clear()

清理有效字符,VS下不会进行缩容，看编译器自己的选择．

int main()

  string s("hello");
  s.reserve(100);
  s.clear();  //  只改变  size 缩容不缩容看编译器
  return 0;

append()

我们发现,push_back尾插是可以的,但是它支持插入一个字符,我们想要插入一个字符串,可不可以,string也提供了这个接口.我们把最长用的的几个个大家简绍一下.

append()	函数说明
string& append (const string& str);	尾插一个string对象
string&a 以上是关于C++之STL的主要内容，如果未能解决你的问题，请参考以下文章 浅谈 C++之 STL STL之string认识 C++之STL C++ STL 之 常用算法 C++中STL学习笔记——容器之vector C++中STL学习笔记——容器之vector