C++-STL讲解.ppt

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第十一章标准模板库（STL）,库（library）是一系列程序组件的集合，它们可以在不同的程序中重复使用。

库函数设计的第一位的要求就是通用性，为程序员提供大量实用的库是C+的又一特色。

标准模板库（StandardTemplateLibrary）是ANSI/ISOC+最有特色、最实用的部分之一。

STL包含了容器类（container）、迭代子（iterator）和算法（algorithm）三个部分。

第十一章标准模板库（STL）,11.1标准模板库简介,11.3顺序容器,11.2迭代子类,11.5容器适配器,11.7VC+中的STL,11.6泛型算法与函数对象,11.4关联容器,11.1标准模板库简介,STL提供了一个标准化的模板化的对象容器库，包含多种数据结构及其算法，可以节省大量的时间和精力，而且程序是高质量的。

容器类是管理序列的类，是容纳一组对象或对象集的对象，甚至可以包含混合的对象，包含一组不同类型的对象，称为异类容器（heterogeneouscontainer），一组相同类型的对象，称为同类容器（homogenouscontainer）。

通过由容器类提供的成员函数，可以实现诸如向序列中插入元素，删除元素，查找元素等操作，这些成员函数通过返回迭代子来指定元素在序列中的位置。

迭代子是面向对象版本的指针，它提供了访问容器或序列中每个对象的方法。

这样就可以把算法用于容器所管理的序列。

11.1标准模板库简介,容器分为三大类：

顺序容器（sequencecontainerorsequentialcontainer）关联容器（associativecontainer）容器适配器（containeradopter）顺序容器和关联容器称为第一类容器（first-classcontainer）。

另外有四种容器称为近容器（nearcontainer）：

C语言风格数组、字符串string、操作1/0标志值的bitset和进行高速数学矢量运算的valarray。

11.1标准模板库简介,表11.1标准库容器类,11.1标准模板库简介,STL也使容器提供接口。

许多基本操作是所有容器都适用的，而有些操作则适用于类似容器的子集。

可以用新的类来扩展STL。

参见表11.2。

这些函数和运算符可通称为容器的接口。

各容器具体接口参见附录C。

使用STL容器或容器适配器，要包含定义该容器模板类头文件。

参见表11.3。

这些头文件的内容都在std名字空间域（namespacestd）中，程序中必须加以说明。

11.1标准模板库简介,在有关数组、链表和二叉树等线性表和非线性表的讨论中，若要访问其中一个元素（结点），我们可以用下标或者指针去访问，而下标实际上也是一种指针即地址，访问时取地址的方式还有很多，一系列的访问方法都可以抽象为迭代子（iterator）。

访问方法最终要归于内存地址的获得，所以说迭代子是面向对象版本的指针。

迭代子与指针有许多相同之处，但迭代子保存所操作的特定容器需要的状态信息，从而实现与每种容器类型相适应的迭代子。

而且有些迭代子操作在所有容器中是一致的，如+运算符总是返回容器下一个元素的迭代子，间接引用符“*”，总是表示迭代子指向的容器元素。

迭代子用来将STL的各部分结合在一起。

从本质上说，STL提供的所有算法都是模板，我们可以通过使用自己指定的迭代子来对这些模板实例化。

迭代子可以包括指针，但又不仅是一个指针。

11.1标准模板库简介,STL最大的优点是提供能在各种容器中通用的算法，例如插入、删除、查找、排序等等。

STL提供70种左右的标准算法。

算法只是间接通过迭代子操作容器元素。

算法通常返回迭代子。

一个算法通常可用于多个不同的容器，所以称为泛型算法（genericalgorithm）。

算法分为：

修改容器的算法，即变化序列算法（mutating-sequencealgorithm），如copy（）、remove（）、replace（）、swap（）等。

不修改容器的算法，即非变化序列算法（non-mutating-sequencealgorithm），如count（）、find（）等。

数字型算法。

11.2迭代子类,C+标准库中有五种预定义迭代子，其功能最强最灵活的是随机访问迭代子。

表11.4迭代子类别,11.2迭代子类,标准库定义迭代子的层次结构，按这个层次，从上到下，功能越来越强。

但不是继承！

图11.1迭代子层次,11.2迭代子类,只有第一类容器能用迭代子遍历。

表11.5给出各种不同容器所支持的迭代子类别。

标准库定义的各种迭代子可进行的操作参见表11.6，,11.2迭代子类,下面结合find（）算法讨论迭代子与泛型算法的关系。

find（）定义如下：

templateInputIteratorfind（InputIteratorfirst,InputIteratorlast,countTvalue）for（;first!

=last;+first）if（value=*first）returnfirst;returnlast可见，泛型算法不直接访问容器的元素，与容器无关。

元素的全部访问和遍历都通过迭代子实现。

并不需要预知容器类型。

find（）算法也支持系统内置的数组类型：

11.2迭代子类,【例11.1】寻找数组元素。

#include#includeusingnamespacestd;voidmain（）intsearch_value,ia9=47,29,37,23,11,7,5,31,41;coutsearch_value;int*presult=find（这里a9数组元素并不存在，但内存地址单元存在。

11.2迭代子类,【例11.2】寻找vector容器元素。

#include#include#includeusingnamespacestd;voidmain（）intsearch_value,ia9=47,29,37,23,11,7,5,31,41;vectorvec（ia,ia+9）;/数据填入vectorcoutsearch_value;vector:

iteratorpresult;/定义迭代子presult=find（vec.begin（）,vec.end（）,search_value）;cout数值search_value（presult=vec.end（）?

不存在:

存在）endl;,11.2迭代子类,在头文件中还定义了一些专用迭代子：

反转迭代子（reverseiterator）；插入型迭代子（insertioniterator）；流迭代子（streamiterator）；流缓冲迭代子（streambufferiterator）；,11.2迭代子类,反转型迭代子（reverseiterator）把一切都颠倒过来vectorveco;vector:

reverse_iteratorr_iter;for（r_iter=veco.rbegin（）;/将r_iter指向到末元素r_iter!

=veco.rend（）;/不等于首元素的前导r_iter+）/实际是上是递减/循环体如果要把升序的序列改为降序的序列，只要使用反转迭代子就可以了。

反转迭代子定义为随机迭代子。

11.2迭代子类,插入型迭代子（insertioniterator）：

可以用输出迭代子来产生一个元素序列。

可以添加元素而不必重写。

有三种插入迭代子：

back_insert_iterator是输出迭代子，用来将产生的元素添加到类型为Type的容器对象的末端。

就象在一个字符串末尾加一个串（strcat（））。

front_insert_iterator是输出迭代子，用来将产生的元素添加到容器的前端，就是，产生出来的元素以逆序方式结束于被控序列前端。

insert_iterator也是输出迭代子，它用来将产生的元素插入到一个由迭代子（第二个参数Iter）指定的元素的前面。

与之对应的也有三个相关的适配器函数，它们返回特定的插入迭代子：

back_inserter（Type&）：

它使用容器的push_back（）插入操作代替赋值操作符，实参是容器自己。

返回一个back_inserter迭代子。

front_insertor（Type&）：

使用容器的push_front（）插入操作代替赋值操作符，实参也是容器本身。

返回一个front_inserter迭代子。

inserter（Type&,Iter）：

用容器的insert（）插入操作符代替赋值操作符。

inserter（）要求两个实参：

容器本身和它的一个迭代子指示起始插入的位置。

标记起始插入位置的迭代子并不保持不变，而是随每个被插入的元素而递增，这样每个元素就能顺序被插入。

11.2迭代子类,流迭代子有输入流迭代子（istream_iterator）和输出流迭代子（ostream_iterator）。

在、等头文件中定义了流类库，在STL中为输入/输出流iostream提供了迭代子，它们可以与标准库容器类型和泛型算法结合起来工作。

使用这两个迭代子必须包含头文件。

输入流迭代子（istream_iterator）类支持在istream及其派生类（如ifstream）上的迭代子操作。

istream_iterator声明方式为：

istream_iterator迭代子标识符（istream/Type为已定义了输入操作的类型,实参可以是任意公有派生的istream的子类型的对象输出流也有对应的ostream_iterator类支持，其声明方式为：

ostream_iterator迭代子标识符（ostream&）/实参同样可以是公有派生子类型对象ostream_iterator迭代子标识符（ostream&,char*）/第二参数为C风格字符串,11.2迭代子类,下面结合copy算法和sort算法来介绍istreamiterator和ostream_iterator。

【例11.3】用istreamiterator从标准输入读入一个整数集到vector中。

#include#include#include#include#includeusingnamespacestd;voidmain（）istream_iteratorinput（cin）;istream_iteratorend_of_stream;vectorvec;copy（input,end_of_stream,inserter（vec,vec.begin（）;/输入Z结束流sort（vec.begin（）,vec.end（）,greater（）;/升序排列ostream_iteratoroutput（cout,）;unique_copy（vec.begin（）,vec.end（）,output）;,11.2迭代子类,输入：

4139572317191311373123294139Z泛型算法copy（）定义如下：

templateOutputIteratorcopy（InputIteratorfirst,InputIteratorlast,OutputInteratorx）for（;first!

=last;+x,+first）*x=*firstreturn（x）;,11.2迭代子类,end_of_stream是指示文件（流）结束位置，它使用了缺省的构造函数，输入时必须在最后一个数字后加分隔符，然后加Ctrl-Z结束。

拷贝算法要求我们提供一对iterator来指示文件（流）内部的开始和结束位置。

我们使用由istream对象初始化的istream_iterator提供开始位置，本例中为input。

本例中插入迭代子inserter作为copy的第三个参数，它是输出型的，把流插入vec。

泛型算法sort（）为升序排序算法，声明如下templatevoidsort（RandomAccessIteratorfirst,RandomAccessInteratorlast,Prp）;第三参数为排序方式，greater（）是预定义的“大于”函数对象，排序时用它来比较数值大小。

缺省时为“小于”，即升序排序。

例中用输出迭代子output来输出，泛型算法unique_copy（），复制一个序列，并删除序列中所有重复元素。

本例中，拷贝到output迭代子，即用空格分隔各整数的标准输出。

输出为：

413937312923191713119753,11.2迭代子类,流缓冲迭代子。

这是STL后添加的一对迭代子，用来直接从一个流缓冲区（streambuffer）中插入或提取某种类型（通常为char）的元素。

11.3顺序容器,C+标准模板库提供三种顺序容器：

vector，list和deque。

vector类和deque类是以数组为基础的，list类是以双向链表为基础的。

矢量（vector）类提供了具有连续内存地址的数据结构。

通过下标运算符直接有效地访问矢量的任何元素。

与数组不同，vector的内存用尽时，vector自动分配更大的连续内存区，将原先的元素复制到新的内存区，并释放旧的内存区。

这是矢量（vector）类的优点。

在这里内存分配是由分配子（allocator）完成。

矢量可以用来实现队列、堆栈、列表和其他更复杂的结构。

vector支持随机访问迭代子，vector的迭代子通常实现为vector元素的指针。

所谓选择容器类，实际上很大部分是在选择所支持的迭代子。

11.3顺序容器,使用向量容器的声明如下：

#includevectorvi;/定义存放整形序列的向量容器对象vi，长度为0的空vectorvectorvf;/存放实型序列的向量容器vectorvch;/存放字符序列的向量容器vectorvstr;/存放字符串（字符指针）序列的向量容器使用方法是典型的函数模板的使用方法。

调用缺省的构造函数，创建长度为0的向量。

矢量容器有多种构造函数。

包括构造一个有n个元素的矢量，每个元素都是由元素缺省的构造函数所构造出来的，还可以为每个元素用同一个对象来赋初值。

还包括拷贝构造函数，可以由一个已有的矢量容器对象来初始化新容器各元素的构造函数。

这些构造函数还可以显式给出分配子（allocator）对象。

11.3顺序容器,对矢量的操作包含了在顺序表中所列出的操作，而且更多。

列表（list）是由双向链表（doublylinkedlist）组成的。

我们也已经在有关链表的一节中介绍过了，它有两个指针域，可以向前也可以向后进行访问，但不能随机访问，即支持的迭代子类型为双向迭代子。

使用起来很方便，与我们在7.2节中定义的双链表类模板相似，但通用性更好，使用更方便。

列表的定义在头文件中。

双端队列（deque）（double-endedqueue）类。

双端队列允许在队列的两端进行操作。

支持随机访问迭代子。

也支持通过使用下标操作符“”进行访问。

11.3顺序容器,当要增加双端队列的存储空间时，可以在内存块中deque两端进行分配，通常保存为这些块的指针数组。

双端队列利用不连续内存空间，它的迭代子比vector的迭代子更加智能化。

对双端队列分配存储块后，往往要等删除双端队列时才释放，它比重复分配（释放和再分配）更有效，但也更浪费内存。

使用双端队列，必须包含头文件。

11.4关联容器,查找和排序总是对关键字进行的，函数模板和类模板中只介绍了通用类型（亦称泛型类型），并没有涉及关键字。

关联容器（associativecontainer）能通过关键字（searchkey）直接访问（存储和读取元素）。

四个关联容器为：

集合（set），多重集合（multiset），映射（map），多重映射（multimap）。

集合和多重集合类提供了控制数值集合的操作，其中数值是关键字，映射和多重映射类提供了操作与关键字相关联的映射值（mappedvalue）的方法。

多重集合关联容器用于快速存储和读取关键字。

11.4关联容器,multiset和set通常实现为红黑二叉排序树。

常用的二叉排序树一般结点有四个域：

一个数据域，三个指针域（左孩子指针，右孩子指针和双亲指针）。

双亲指针使直接回访成为可能，它使二叉排序树删除节点的算法变的简单。

在生成二叉排序树时，当输入数据为已排好序时，会形成高度不平衡的只有半边的斜杠形的树，即退化为链表，二叉排序树只有形成平衡的树，也就是接近完全二叉数或满二叉树的形状才能达到对半查找的效果。

红黑二叉排序树是实现平衡二叉排序树的方法之一。

11.4关联容器,【例11.4】整型多重集合关联容器类的演示。

类模板声明:

template,typenameA=allocatorclassmultiset;/模板参数表中的非类型参数同样可有缺省值#include#include/包含集合头文件#include/包含算法头文件usingnamespacestd;/C+标准库名字空间域typedefmultisetINTMS;/特例取名INTMS，整型多重集合按升序排列,11.4关联容器,voidmain（）constintsize=16;intasize=17,11,29,89,73,53,61,37,41,29,3,47,31,59,5,2;INTMSintMultiset（a,a+size）;ostream_iteratoroutput（cout,）;cout这里原来有intMultiset.count（17）个数值17endl;intMultiset.insert（17）;/插入一个重复的数17cout输入后这里有intMultiset.count（17）个数值17endl;INTMS:

const_iteratorresult;result=intMultiset.find（18）;if（result=intMultiset.end（）cout没找到值18endl;elsecout找到值18endl;coutintMultiset容器中有endl;copy（intMultiset.begin（）,intMultiset.end（）,output）;coutendl;,11.4关联容器,请注意multiset容器中自动作了升序排列。

如需要，可以在VC+帮助中（MSDN）由关键字multiset查找有关迭代子、成员函数的定义和用法。

多重映射和映射关联容器类用于快速存储和读取关键字与相关值（关键字/数值对，key/valuepair）。

如果保存学生的简明资料，要求按学号排序，使用映射关联容器（因为不会重号）是最合适的。

如用姓名排序，因姓名可能重复，使用多重映射更为合适。

使用时要用头文件。

11.5容器适配器,STL提供了三个容器适配器（containeradapter）：

栈（stack），队列（queue）和优先级队。

栈是标准的栈，使用时要用头文件。

队也是标准的，使用时要用头文件。

所谓适配器并不独立，它依附在一个顺序容器上。

如要声明一个用矢量实现的字符型堆栈，可使用如下声明：

stacksk;然后它就可以象顺序容器一样使用。

但是它没有自己的构造和析构函数，它使用其实现类（如vector）的构造和析构函数。

就象一个仪器加了一个适配器增加了某些功能一样。

队列（queue）缺省用deque为基础，栈（stack）可用vector或deque为基础。

优先级队列（priority_queue）适配器实现优先级队列。

元素插入是自动按优先级顺序插入，使最高优先级元素首先从优先级队列中取出。

优先级队列（priority_queue）的每个常用操作都实现为内联函数，调用基础容器的相应函数时，可避免二次函数调用的开销。

常用矢量为基础容器。

缺省情况下priority_queue实现时用vector为基础数据结构。

11.5容器适配器,【例11.5】优先级队列类演示，头文件用，优先级用数表示，数值越大优先级越高。

#include#include#includeusingnamespacestd;,11.5容器适配器,voidmain（）priority_queueprioque;/实例化存放int值的优先级队列，并用deque作为基础数据结构prioque.push（7）;/压入优先级队列prioque.push（12）;prioque.push（9）;prioque.push（18）;cout从优先级队列中弹出endl;while（!

prioque.empty（）coutprioque.top（）t;/取最高优先级数据prioque.pop（）;/弹出最高优先级数据coutendl;,11.6泛型算法与函数对象,算法表现为一系列的函数模板，它们完整定义在STL头文件中。

一般这些函数模板都使用迭代子作为它的参数和返回值，以此在容器（序列）上进行各种操作。

11.6.1函数对象,11.6.2泛型算法,11.6.1函数对象,每个泛型算法（genericalgorithm）的实现都独立于单独的容器类型，它消除了算法的类型依赖性。

在C+中，为了使程序的安全性更好，采用“引用”来代替指针作为函数的参数或返回值。

在C+的泛型算法中类似地采用了“函数对象”（functionobject）来代替函数指针。

函数对象是一个类，它重载了函数调用操作符（operator（））。

该操作符封装了应该被实现为一个函数的操作。

典型情况下，函数对象被作为实参传递给泛型算法。

和“引用”一样，“函数对象”独立使用比较少。

函数对象亦称拟函数对象（function_likeobject）和函子（functor）。

下面给出一个求和函数对象的定义：

templateclassSumTres;public:

sum（Ti=0）:

res（i）/构造函数,即sum（Ti=0）res=i;voidoperator（）（Tx）res+=x;/累加Tresult（）constreturnres;/,11.6.1函数对象,函数对象与函数指针相比较有三个优点：

第一，函数指针是间接引用，不能作为内联函数，而函数对象可以，这样速度更快；第二，函数对象可以拥有任意数量的额外数据，用这些数据可以缓冲当前数据和结果，当然多数情况下不一定使用，上例中res就是一个额外数据；第三，编译时对函数对象做类型检查。

下面给出采用函数对象作为“数值比较算法”的求序列中最小值的函数模板。

templateconstType,11.6.1函数对象,函数对象来源。

1标准库预定义的一组算术，关系和逻辑函数对象；2预定义的一组函数适配器，允许对预定义的函数对象进行特殊化或扩展；自定义函数对象。

预定义函数对象分为算术、关系和逻辑操作。

每个对象都是一个类模板，其中操作数类型作为模板参数。

使用时要包含头文件：

#include,11.6.1函数对象,我们以加法为例，讨论名为plus的类模板，对整数的用法实例如下：

plusintAdd;intival1=30,ival2=15;intsum=intAdd（ival1,ival2）;/等效于:

sum=ival1+inval2但是函数对象主要是作为泛型算法的实参使用，通常用来改变缺省的操作，比如在【例11.3】中有sort（vec.begin（）,vec.end（）,greater（）;这就是把整数的大于关系函数对象作为实参，得降序排列。

如果是字符串，则有：

sort（svec.begin（）,svec.end（）,greater（）;,11.6.1函数对象,比较算法在内置类型int，字符串类string中定义。

还可以自定义整数类Int:

classIntpublic:

Int（intival=0）:

_val（ival）intoperator_（）return-_val;/负数符号重载intoperator%（intval）return_val%ival;/求余符号重载booloperator（intval）re