C++ STL.docx

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C++STL

短时间让大家对C++STL有所学习

STL概述

STL的一个重要特点是数据结构和算法的分离。

尽管这是个简单的概念，但这种分离确实使得STL变得非常通用。

例如，由于STL的sort（）函数是完全通用的，你可以用它来操作几乎任何数据集合，包括链表，容器和数组。

要点

STL算法作为模板函数提供。

为了和其他组件相区别，在本书中STL算法以后接一对圆括弧的方式表示，例如sort（）。

STL另一个重要特性是它不是面向对象的。

为了具有足够通用性，STL主要依赖于模板而不是封装，继承和虚函数（多态性）——OOP的三个要素。

你在STL中找不到任何明显的类继承关系。

这好像是一种倒退，但这正好是使得STL的组件具有广泛通用性的底层特征。

另外，由于STL是基于模板，内联函数的使用使得生成的代码短小高效。

提示

确保在编译使用了STL的程序中至少要使用-O优化来保证内联扩展。

STL组件

STL提供了大量的模板类和函数，可以在OOP和常规编程中使用。

所有的STL的大约50个算法都是完全通用的，而且不依赖于任何特定的数据类型。

下面的小节说明了三个基本的STL组件：

1）           迭代器提供了访问容器中对象的方法。

例如，可以使用一对迭代器指定list或vector中的一定范围的对象。

迭代器就如同一个指针。

事实上，C++的指针也是一种迭代器。

但是，迭代器也可以是那些定义了operator*（）以及其他类似于指针的操作符地方法的类对象。

2）           容器是一种数据结构，如list，vector，和deques，以模板类的方法提供。

为了访问容器中的数据，可以使用由容器类输出的迭代器。

3）           算法是用来操作容器中的数据的模板函数。

例如，STL用sort（）来对一个vector中的数据进行排序，用find（）来搜索一个list中的对象。

函数本身与他们操作的数据的结构和类型无关，因此他们可以在从简单数组到高度复杂容器的任何数据结构上使用。

头文件

为了避免和其他头文件冲突，STL的头文件不再使用常规的.h扩展。

为了包含标准的string类，迭代器和算法，用下面的指示符：

#include

#include

#include

如果你查看STL的头文件，你可以看到象iterator.h和stl_iterator.h这样的头文件。

由于这些名字在各种STL实现之间都可能不同，你应该避免使用这些名字来引用这些头文件。

为了确保可移植性，使用相应的没有.h后缀的文件名。

表1列出了最常使用的各种容器类的头文件。

该表并不完整，对于其他头文件，我将在本章和后面的两章中介绍。

表 1.STL头文件和容器类

#include

ContainerClass

deque

list

map,multimap

queue,priority_queue

set,multiset

stack

vector,vector

名字空间

你的编译器可能不能识别名字空间。

名字空间就好像一个信封，将标志符封装在另一个名字中。

标志符只在名字空间中存在，因而避免了和其他标志符冲突。

例如，可能有其他库和程序模块定义了sort（）函数，为了避免和STL地sort（）算法冲突，STL的sort（）以及其他标志符都封装在名字空间std中。

STL的sort（）算法编译为std:

:

sort（），从而避免了名字冲突。

尽管你的编译器可能没有实现名字空间，你仍然可以使用他们。

为了使用STL，可以将下面的指示符插入到你的源代码文件中，典型地是在所有的#include指示符的后面：

usingnamespacestd;

迭代器

迭代器提供对一个容器中的对象的访问方法，并且定义了容器中对象的范围。

迭代器就如同一个指针。

事实上，C++的指针也是一种迭代器。

但是，迭代器不仅仅是指针，因此你不能认为他们一定具有地址值。

例如，一个数组索引，也可以认为是一种迭代器。

迭代器有各种不同的创建方法。

程序可能把迭代器作为一个变量创建。

一个STL容器类可能为了使用一个特定类型的数据而创建一个迭代器。

作为指针，必须能够使用*操作符类获取数据。

你还可以使用其他数学操作符如++。

典型的，++操作符用来递增迭代器，以访问容器中的下一个对象。

如果迭代器到达了容器中的最后一个元素的后面，则迭代器变成past-the-end值。

使用一个past-the-end值得指针来访问对象是非法的，就好像使用NULL或为初始化的指针一样。

提示

STL不保证可以从另一个迭代器来抵达一个迭代器。

例如，当对一个集合中的对象排序时，如果你在不同的结构中指定了两个迭代器，第二个迭代器无法从第一个迭代器抵达，此时程序注定要失败。

这是STL灵活性的一个代价。

STL不保证检测毫无道理的错误。

迭代器的类型

对于STL数据结构和算法，你可以使用五种迭代器。

下面简要说明了这五种类型：

·        Inputiterators 提供对数据的只读访问。

·        Outputiterators 提供对数据的只写访问

·        Forwarditerators 提供读写操作，并能向前推进迭代器。

·        Bidirectionaliterators提供读写操作，并能向前和向后操作。

·        Randomaccessiterators提供读写操作，并能在数据中随机移动。

尽管各种不同的STL实现细节方面有所不同，还是可以将上面的迭代器想象为一种类继承关系。

从这个意义上说，下面的迭代器继承自上面的迭代器。

由于这种继承关系，你可以将一个Forward迭代器作为一个output或input迭代器使用。

同样，如果一个算法要求是一个bidirectional迭代器，那么只能使用该种类型和随机访问迭代器。

指针迭代器

正如下面的小程序显示的，一个指针也是一种迭代器。

该程序同样显示了STL的一个主要特性——它不只是能够用于它自己的类类型，而且也能用于任何C或C++类型。

Listing1,iterdemo.cpp,显示了如何把指针作为迭代器用于STL的find（）算法来搜索普通的数组。

表 1.iterdemo.cpp

#include

#include

usingnamespacestd;

#defineSIZE100

intiarray[SIZE];

intmain（）

{

 iarray[20]=50;

 int*ip=find（iarray,iarray+SIZE,50）;

 if（ip==iarray+SIZE）

   cout<<"50notfoundinarray"<

 else

   cout<<*ip<<"foundinarray"<

 return0;

}

在引用了I/O流库和STL算法头文件（注意没有.h后缀），该程序告诉编译器使用std名字空间。

使用std名字空间的这行是可选的，因为可以删除该行对于这么一个小程序来说不会导致名字冲突。

程序中定义了尺寸为SIZE的全局数组。

由于是全局变量，所以运行时数组自动初始化为零。

下面的语句将在索引20位置处地元素设置为50,并使用find（）算法来搜索值50:

iarray[20]=50;

int*ip=find（iarray,iarray+SIZE,50）;

find（）函数接受三个参数。

头两个定义了搜索的范围。

由于C和C++数组等同于指针，表达式iarray指向数组的第一个元素。

而第二个参数iarray+SIZE等同于past-the-end 值，也就是数组中最后一个元素的后面位置。

第三个参数是待定位的值，也就是50。

find（）函数返回和前两个参数相同类型的迭代器，这儿是一个指向整数的指针ip。

提示

必须记住STL使用模板。

因此，STL函数自动根据它们使用的数据类型来构造。

为了判断find（）是否成功，例子中测试ip和 past-the-end 值是否相等：

if（ip==iarray+SIZE）...

如果表达式为真，则表示在搜索的范围内没有指定的值。

否则就是指向一个合法对象的指针，这时可以用下面的语句显示：

:

cout<<*ip<<"foundinarray"<

测试函数返回值和NULL是否相等是不正确的。

不要象下面这样使用：

int*ip=find（iarray,iarray+SIZE,50）;

if（ip!

=NULL）... //?

?

?

incorrect

当使用STL函数时，只能测试ip是否和past-the-end 值是否相等。

尽管在本例中ip是一个C++指针,其用法也必须符合STL迭代器的规则。

容器迭代器

尽管C++指针也是迭代器，但用的更多的是容器迭代器。

容器迭代器用法和iterdemo.cpp一样，但和将迭代器申明为指针变量不同的是，你可以使用容器类方法来获取迭代器对象。

两个典型的容器类方法是begin（）和end（）。

它们在大多数容器中表示整个容器范围。

其他一些容器还使用rbegin（）和rend（）方法提供反向迭代器，以按反向顺序指定对象范围。

下面的程序创建了一个矢量容器（STL的和数组等价的对象），并使用迭代器在其中搜索。

该程序和前一章中的程序相同。

Listing2.vectdemo.cpp

#include

#include

#include

usingnamespacestd;

vectorintVector（100）;

voidmain（）

{

 intVector[20]=50;

 vector:

:

iteratorintIter=

   find（intVector.begin（）,intVector.end（）,50）;

 if（intIter!

=intVector.end（））

   cout<<"Vectorcontainsvalue"<<*intIter<

 else

   cout<<"Vectordoesnotcontain50"<

}

注意用下面的方法显示搜索到的数据：

cout<<"Vectorcontainsvalue"<<*intIter<

常量迭代器

和指针一样，你可以给一个迭代器赋值。

例如，首先申明一个迭代器：

vector:

:

iteratorfirst;

该语句创建了一个vector类的迭代器。

下面的语句将该迭代器设置到intVector的第一个对象，并将它指向的对象值设置为123：

:

first=intVector.begin（）;

*first=123;

这种赋值对于大多数容器类都是允许的，除了只读变量。

为了防止错误赋值，可以申明迭代器为：

constvector:

:

iteratorresult;

result=find（intVector.begin（）,intVector.end（）,value）;

if（result!

=intVector.end（））

 *result=123; //?

?

?

警告

另一种防止数据被改变得方法是将容器申明为const类型。

『呀！

在VC中测试出错,正确的含义是result成为常量而不是它指向的对象不允许改变，如同int*constp;看来这作者自己也不懂』

使用迭代器编程

你已经见到了迭代器的一些例子，现在我们将关注每种特定的迭代器如何使用。

由于使用迭代器需要关于STL容器类和算法的知识，在阅读了后面的两章后你可能需要重新复习一下本章内容。

输入迭代器

输入迭代器是最普通的类型。

输入迭代器至少能够使用==和!

=测试是否相等；使用*来访问数据；使用++操作来递推迭代器到下一个元素或到达past-the-end 值。

为了理解迭代器和STL函数是如何使用它们的，现在来看一下find（）模板函数的定义：

template

InputIteratorfind（

 InputIteratorfirst,InputIteratorlast,constT&value）{

   while（first!

=last&&*first!

=value）++first;

   returnfirst;

 }

注意

在find（）算法中，注意如果first和last指向不同的容器，该算法可能陷入死循环。

输出迭代器

输出迭代器缺省只写，通常用于将数据从一个位置拷贝到另一个位置。

由于输出迭代器无法读取对象，因此你不会在任何搜索和其他算法中使用它。

要想读取一个拷贝的值，必须使用另一个输入迭代器（或它的继承迭代器）。

Listing3.outiter.cpp

#include

#include  //Needcopy（）

#include     //Needvector

usingnamespacestd;

doubledarray[10]=

 {1.0,1.1,1.2,1.3,1.4,1.5,1.6,1.7,1.8,1.9};

vectorvdouble（10）;

intmain（）

{

 vector:

:

iteratoroutputIterator=vdouble.begin（）;

 copy（darray,darray+10,outputIterator）;

 while（outputIterator!

=vdouble.end（））{

   cout<<*outputIterator<

   outputIterator++;

 }

 return0;

}

注意

当使用copy（）算法的时候，你必须确保目标容器有足够大的空间，或者容器本身是自动扩展的。

前推迭代器

前推迭代器能够读写数据值，并能够向前推进到下一个值。

但是没法递减。

replace（）算法显示了前推迭代器的使用方法。

template

voidreplace（ForwardIteratorfirst,

             ForwardIteratorlast,

             constT&old_value,

             constT&new_value）;

使用replace（）将[first,last]范围内的所有值为old_value的对象替换为new_value。

:

replace（vdouble.begin（）,vdouble.end（）,1.5,3.14159）;

双向迭代器

双向迭代器要求能够增减。

如reverse（）算法要求两个双向迭代器作为参数:

template

voidreverse（BidirectionalIteratorfirst,

             BidirectionalIteratorlast）;

使用reverse（）函数来对容器进行逆向排序:

reverse（vdouble.begin（）,vdouble.end（））;

随机访问迭代器

随机访问迭代器能够以任意顺序访问数据，并能用于读写数据（不是const的C++指针也是随机访问迭代器）。

STL的排序和搜索函数使用随机访问迭代器。

随机访问迭代器可以使用关系操作符作比较。

random_shuffle（） 函数随机打乱原先的顺序。

申明为：

template

voidrandom_shuffle（RandomAccessIteratorfirst,

                    RandomAccessIteratorlast）;

使用方法：

random_shuffle（vdouble.begin（）,vdouble.end（））;

迭代器技术

要学会使用迭代器和容器以及算法，需要学习下面的新技术。

流和迭代器

本书的很多例子程序使用I/O流语句来读写数据。

例如：

intvalue;

cout<<"Entervalue:

";

cin>>value;

cout<<"Youentered"<

对于迭代器，有另一种方法使用流和标准函数。

理解的要点是将输入/输出流作为容器看待。

因此，任何接受迭代器参数的算法都可以和流一起工作。

Listing4.outstrm.cpp

#include

#include   //Needrandom（）,srandom（）

#include     //Needtime（）

#include  //Needsort（）,copy（）

#include     //Needvector

usingnamespacestd;

voidDisplay（vector&v,constchar*s）;

intmain（）

{

 //Seedtherandomnumbergenerator

 srandom（time（NULL））;

 //Constructvectorandfillwithrandomintegervalues

 vectorcollection（10）;

 for（inti=0;i<10;i++）

   collection[i]=random（）%10000;;

 //Display,sort,andredisplay

 Display（collection,"Beforesorting"）;

 sort（collection.begin（）,collection.end（））;

 Display（collection,"Aftersorting"）;

 return0;

}

//Displaylabelsandcontentsofintegervectorv

voidDisplay（vector&v,constchar*s）

{

 cout<

 copy（v.begin（）,v.end（）,

   ostream_iterator（cout,"/t"））;

 cout<

}

函数Display（）显示了如何使用一个输出流迭代器。

下面的语句将容器中的值传输到cout输出流对象中:

copy（v.begin（）,v.end（）,

 ostream_iterator（cout,"/t"））;

第三个参数实例化了ostream_iterator类型，并将它作为copy（）函数的输出目标迭代器对象。

“/t”字符串是作为分隔符。

运行结果：

$g++outstrm.cpp

$./a.out

Beforesorting

677  722  686  238  964  397  251  118  11   312

Aftersorting

11   118  238  251  312  397  677  686  722  964

这是STL神奇的一面『确实神奇』。

为定义输出流迭代器，STL提供了模板类ostream_iterator。

这个类的构造函数有两个参数：

一个ostream对象和一个string值。

因此可以象下面一样简单地创建一个迭代器对象：

ostream_iterator（cout,"/n"）

该迭代起可以和任何接受一个输出迭代器的函数一起使用。

插入迭代器

插入迭代器用于将值插入到容器中。

它们也叫做适配器，因为它们将容器适配或转化为一个迭代器，并用于copy（）这样的算法中。

例如，一个程序定义了一个链表和一个矢量容器:

listdList;

vectordVector;

通过使用front_inserter迭代器对象，可以只用单个copy（）语句就完成将矢量中的对象插入到链表前端的操作：

copy（dVector.begin（）,dVector.end（）,front_inserter（dList））;

三种插入迭代器如下：

·        普通插入器 将对象插入到容器任何对象的前面。

·        Frontinserters 将对象插入到数据集的前面——例如，链表表头。

·        Backinserters 将对象插入到集合的尾部——例如，矢量的尾部，导致矢量容器扩展。

使用插入迭代器可能导致容器中的其他对象移动位置，因而使得现存的迭代器非法。

例如，将一个对象插入到矢量容器将导致其他值移动位置以腾出空间。

一般来说，插入到象链表这样的结构中更为有效，因为它们不会导致其他对象移动。

Listing5.insert.cpp

#include

#include

#include

usingnamespacestd;

intiArray[5]={1,2,3,4,5};

voidDisplay（list&v,constchar*s）;

intmain（）

{

 listiList;

 //CopyiArraybackwardsintoiList

 copy（iArray,iArray+5,front_inserter（iList））;

 Display（iList,"Beforefindandcopy"）;

 //Locatevalue3iniList

 list:

:

iteratorp=

   find（iList.begin（）,iList.end（）,3）;

 //CopyfirsttwoiArrayvalue