容器的概念

所謂STL容器，即是將最常運用的一些資料結構（data structures）實現出來。

容器是指容納特定型別物件的集合。根據資料在容器中排列的特性，容器可概分為序列式（sequence）和關聯式（associative）兩種。

迭代器是一種檢查容器內元素並遍歷元素的資料型別。它提供類似指標的功能，對容器的內容進行走訪。

#include<iterator>

例如：

std::vector<int> IntVector;

std::vector<int>::iterator first=IntVector.begin();

// begin()得到指向vector開頭的Iterator,*first得到開頭一個元素的值

std::vector<int>::iterator last=IntVector.end();

// end()得到指向vector結尾的Iterator,*last得到最後一個元素的值

 

序列式容器

所謂序列式容器，其中的元素都可序（ordered），但未必有序（sorted）。陣列為C++語言內建的序列容器，STL另外提供vector、list、deque（double-ended queue）。它們的差別在於訪問元素的方式，以及新增或刪除元素相關操作的執行代價。

標準庫還提供了三種容器介面卡（adapter），所謂介面卡是根據原始的容器型別所提供的操作，通過定義新的操作介面，來適應基礎的容器型別。順序容器介面卡包括stack、queue、priority_queue等序列式容器。其中stack和queue由於只是將deque改頭換面而成，技術上被歸類為一種配接器（adapter），priority_queue是有優先順序管理的佇列。

 

一. Vector

1.vector的基本概念

vector是標準C++建議替代C陣列的動態陣列模型，它維護的是一個連續線性空間。

vector所採用的資料結構非常簡單：線性連續空間。它以兩個迭代器start和finish分別指向配置得到的連續空間中目前已被使用的範圍，並以迭代器end_of_storage指向整塊連續空間（含備用空間）的尾端。

vector的實現技術，關鍵在於其對大小的控制以及重新分配時的資料移動效率。一旦vector原有空間用完，如果客戶端每新增一個元素，vector內部就只擴充一個元素的空間，實為不智。因為所謂擴充控制元件（不論多大），是“配置新空間（malloc）/拷貝移動資料（memcpy）/釋放舊空間（free）”的大工程，時間成本很高，應該採用某種未雨綢繆的空間配置策略。

注意，所謂動態增加大小，並不是在原空間之後接續新空間（因為無法保證之後尚有可供配置的空間），而是每次再分配原大小兩倍的記憶體空間。因此，對vector的任何操作，一旦引起控制元件重新配置，指向原vector的所有迭代器就都失效了。

由於vector維護的是一個連續線性空間，因此vector迭代器具備普通指標的功能，支援隨機存取，即vector提供的是Random Access Iterators。

2.向量類模板std::vector的成員函式

#include<vector>

std::vector<type> vec;

std::vector<type> vec(size);

std::vector<type> vec(size,value);

std::vector<type> vec(myvector);

std::vector<type> vec(first,last);

Operators：==、!=、<=、>=、<、>、[]

assign(first,last)：用迭代器first,last所指定的元素取代向量元素

assign(num,val)：用val的num份副本取代向量元素

at(n)：等價於[]運算子，返回向量中位置n的元素，因其有越界檢查，故比[]索引訪問安全

front()：返回向量中第一個元素的引用

back()：返回向量中最後一個元素的引用

begin()：返回向量中第一個元素的迭代器

end()：返回向量中最後一個元素的下一個迭代器（僅作結束遊標，不可解引用）

max_size()：返回向量型別的最大容量（2^30-1=0x3FFFFFFF）

capacity()：返回向量當前開闢的空間大小（<= max_size，與向量的動態記憶體分配策略相關）

size()：返回向量中現有元素的個數（<=capacity）

clear()：刪除向量中所有元素

empty()：如果向量為空，返回真

erase(start,end)：刪除迭代器start end所指定範圍內的元素

erase(i)：刪除迭代器i所指向的元素

    erase()返回指向刪除的最後一個元素的下一位置的迭代器

insert(i,x)；把x插入到迭代器i所指定的位置之前

insert(i,n,x)：把x的n份副本插入到迭代器i所指定的位置之前

insert(i,start,end)：把迭代器start和end所指定的範圍內的值插入到迭代器i所指定的位置之前

push_back(x)：把x推入（插入）到向量的尾部

pop_back()：彈出（刪除）向量最後一個元素

rbegin()：返回一個反向迭代器，該迭代器指向的元素越過了向量中的最後一個元素

rend()：返回一個反向迭代器，該迭代器指向向量中第一個元素

reverse()：反轉元素順序

resize(n,x)：把向量的大小改為n,新元素的初值賦為x

swap(vectorref)：交換2個向量的內容

3.動態字串類std::string

string是標準C++建議替代C字串（以零結束的字元陣列）的動態字串模型，可以簡單的看做vector<char>。

#include<string>

std::string str1;

std::string str3(str2);

std::string str2("this is a string");

以下未列出與vector相同的通用操作。

Operators：+、+=

length()：和size()函式功能相同

data()：取得字串指標

c_str()：取得C風格字串指標

c_str()的流程是先呼叫terminate()，然後再返回data()。因此如果你對效率要求比較高，而且你的處理又不一定需要以/0的方式結束，最好選擇data()。但是對於一般的C函式中，需要以const char*為輸入引數，要使用c_str()函式。

operator=：賦值操作符

append()：追加字串

replace()：替換字元

copy()：拷貝自己的num個字元到str中（從索引index開始）。

find()：在字串中查詢指定字元,返回基於0的索引號

rfind()：反向查詢

find_first_of()：查詢包含子串中的任何字元，返回第一個位置

find_first_not_of()：查詢不包含子串中的任何字元，返回第一個位置

find_last_of()：查詢包含子串中的任何字元，返回最後一個位置

find_last_not_of()：查詢不包含子串中的任何字元，返回最後一個位置

substr(n1,len)：得到字串從n1開始的長度為len的子串

比較字串(支援所有的關係運算符)

compare 比較字串

operator+  字串銜接

operator+= 增加操作符

operator== 判斷是否相等

operator!= 判斷是否不等於

operator< 判斷是否小於

operator>> 從輸入流中讀入字串

operator<< 字串寫入輸出流

getline 從輸入流中讀入一行

 

二.list

1.list的基本概念

相對於vector的連續線性空間，list就顯得複雜許多，與向量(vector)相比, 它允許快速的插入和刪除，且每次插入或刪除一個元素，就配置或釋放一個元素空間。因此，list對於空間的運用絕對的精準，一點也不浪費。而且，對於任何位置的元素插入或元素移除，list永遠是常數時間。

list不再能夠像vector那樣以普通指標作為迭代器，因為其節點不保證在儲存空間中連續存在。list迭代器必須有能力指向list的節點，並有能力進行正確的遞增、遞減、取值、成員存取等操作。所謂“list迭代器正確的遞增、遞減、取值、成員取用”操作是指，遞增時指向下一個節點，遞減時指向上一個節點，取值時取的是節點的資料值，成員取用時取用的是節點的成員。

list不僅是一個雙向連結串列，而其還是一個環狀雙向連結串列。所以它只需要一個指標，便可以完整實現整個連結串列。由於list是一個雙向連結串列（double linked-list），迭代器必須具備前移、後移的能力，所以list提供的是Bidirectional Iterators。

list有一個重要性質：插入操作（insert）和合並操作（splice）都不會造成原有的list迭代器失效。這在vector是不成立的，因為vector的插入操作可能造成記憶體重新配置，導致原有的迭代器全部失效。甚至list的元素刪除操作（erase）也只有“指向被刪除元素”的那個迭代器失效，其他迭代器不受任何影響。

2.連結串列類模板std::list成員函式

#include<list>

std::list<type> lst;

std::list<type> lst(size);

std::list<type> lst(size,value);

std::list<type> lst(mylist);

std::list<type> lst(first,last);

以下未列出與vector相同的通用操作。

push_front(x)：把元素x推入（插入）到連結串列頭部

pop_front()：彈出（刪除）連結串列首元素

merge(listref)：把listref所引用的連結串列中的所有元素插入到連結串列中，可指定合併規則

splice()：把lst連線到pos的位置

remove(val)：刪除連結串列中所有值為val的元素

remove_if(pred)：刪除連結串列中謂詞pred為真的元素

（謂詞即為元素儲存和檢索的描述，如std::less<>，std::greater<>那麼就按降序/升序排列，你也可以定義自己的謂詞）

sort()：根據預設的謂詞對連結串列排序

sort(pred)：根據給定的謂詞對連結串列排序

unique()：刪除連結串列中所有重複的元素

unique(pred)：根據謂詞pred刪除所有重複的元素，使連結串列中沒有重複元素

注意：vector和deque支援隨機訪問，而list不支援隨機訪問，因此不支援[]訪問！

 

三.deque

1.deque的基本概念

vector是單向開口的連續線性空間，deque則是以中雙向開口的連續線性空間。所謂雙向開口，意思是可以在頭尾兩端分別做元素的插入和刪除操作。從技術的角度而言，vector當然也可以在頭尾兩端進行操作，但是其頭部操作效率奇差、令人無法接受。

deque和vector的最大差異，一在於deque允許於常數時間內對頭端進行元素的插入或移除操作，二在於deque沒有所謂容量（capacity）觀念，因為它是動態地以分段連續空間組合而成，隨時可以增加一段新的空間並連結起來。換句話說，像vector那樣“因舊空間不足而重新配置一塊更大空間，然後複製元素，再釋放舊空間”這樣的事情在deque中是不會發生的。也因此，deque沒有必要提供所謂的空間預留（reserved）功能。

雖然deque也提供Random Access Iterator，但它的迭代器並不是普通指標，其複雜度和vector不可同日而語，這當然涉及到各個運算層面。因此，除非必要，我們應儘可能選擇使用vector而非deque。對deque進行的排序操作，為了最高效率，可將deque先完整複製到一個vector身上，將vector排序後（利用STL的sort演算法），再複製回deque。

deque是由一段一段的定量連續空間構成。一旦有必要在deque的前端或尾端增加新空間，便配置一段定量的連續空間，串接在整個deque的頭端或尾端。deque的最大任務，便是在這些分段的定量連續空間上，維護其整體連續的假象，並提供隨機存取的介面。避開了“重新配置、複製、釋放”的輪迴，代價則是複雜的迭代器架構。

2.雙端佇列類模板std::deque成員函式

#include<deque>

std::deque<type> deq;

std::deque<type> deq(size);

std::deque<type> deq(size,value);

std::deque<type> deq(mydeque);

std::deque<type> deq(first,last);

其成員函式如下：

Operators：[]用來訪問雙向佇列中單個的元素

front()：返回第一個元素的引用

push_front(x)：把元素x推入（插入）到雙向佇列的頭部

pop_front()：彈出（刪除）雙向佇列的第一個元素

back()：返回最後一個元素的引用

push_back(x)：把元素x推入（插入）到雙向佇列的尾部

 

pop_back()：彈出（刪除）雙向佇列的最後一個元素

 

四.基於deque的順序容器介面卡stack、queue（priority_queue）

stack

1.stack的基本概念

stack是一種後進先出（First In Last Out，FILO）的資料結構，它只有一個出口。stack允許新增元素、移除元素、取得最頂端元素。但除了最頂端外，沒有任何其他方法可以存取stack的其他元素，換言之，stack不允許隨機訪問。

STL以deque作為stack的底層結構，對deque封閉期頭端開口，稍作修改便形成了stack。   

將元素插入stack的操作稱為push，將元素彈出stack的操作稱為pop。stack所有元素的進出都必須符合“後進先出”的條件，只有stack頂端的元素，才有機會被外界取用。stack不提供走訪功能，也不提供迭代器。

2.容器介面卡堆疊類std::stack成員函式

#include<stack>

stack實現後進先出的操作

std::stack<type,container> stk;

type為堆疊操作的資料型別

container為實現堆疊所用的容器型別，預設基於deque，還可以為std::vector和std::list

例如std::stack<int,std::list<int>> IntStack;

其成員函式如下：

top()：返回頂端元素的引用

push(x)：將元素壓入棧（頂）

pop()：彈出（刪除）頂端元素

 

queue

1.queue的基本概念

queue是一種先進先出（First In First Out，FIFO）的資料結構，它有兩個出口。queue允許新增元素、移除元素、從最底端加入元素、取得最頂端元素。但除了最底端可以加入、最頂端可以取出，沒有任何其他方法可以存取queue的其他元素。換言之，queue不支援隨機訪問。

STL以deque作為queue的底層結構，對deque封閉其底端的出口和前端的入口，稍作修改便形成了queue。

2.容器介面卡佇列類std::queue成員函式

#include<queue>

queue實現先進先出的操作

std::queue<type,container> que;

type為佇列操作的資料型別

container為實現佇列所用的容器型別，只能為提供了push_front操作的std::deque或std::list，預設基於std::deque

其成員函式如下：

front()：返回隊首元素的引用

back()：返回隊尾元素的引用

push(x)：把元素x推入（插入）到隊尾

pop()：隊首元素出列（彈出（刪除）隊首元素）

 

priority_queue

1.priority_queue的基本概念

priority_queue為優先順序佇列，它允許使用者為佇列中儲存的元素設定優先順序。這種佇列不是直接將新元素放置在佇列尾部，而是放置在比它優先順序低的元素前面，即提供了一種插隊策略。標準庫預設使用<操作符來確定他們之間的優先順序關係。即權重大的排在隊首。

使用priority_queue時，包含<queue>檔案。

2.容器介面卡佇列類std::priority_queue成員函式

#include<queue>

priority_queue實現先進先出的操作

std::priority_queue<type, container, comp> pri_que;

type為佇列操作的資料型別

container為實現佇列所用的容器型別，可以為std::vector,std::deque，預設基於deque

comp為排隊策略，預設為std::less<>，即插到小於它的元素前

例如std::priority_queue<int,std::vector<int>,std::greater<int> > IntPriQue;

其成員函式如下：

top()：返回隊首（優先順序最高）元素的引用

push(x)：將元素推入（按插隊策略插排）佇列（尾部）

pop()：彈出（刪除）隊首（優先順序最高）元素

 

關聯式容器

所謂關聯式容器，概念上類似關聯式資料庫（實際上則簡單許多）：每項資料（元素）包含一個鍵值（key）和一個實值（value）。當元素被插入到關聯式容器中時，容器內部資料結構（可能是RB-tree，也可能是hash-table）便依照其鍵值大小，以某種特定規則將這個元素放置於適當位置。關聯式容器沒有所謂頭尾（只有最大元素和最小元素），所以不會有push_back()，push_front()，pop_back()，pop_front()，begin()，end()這樣的操作。

一般而言，關聯式容器的內部結構是一個balanced binary tree（平衡二叉樹），以便獲得良好的搜尋效率。balanced binary tree有很多種型別，包括AVL-tree、RB-tree、AA-tree，其中廣泛運用於STL的是RB-tree（紅黑樹）。

標準的STL關聯式容器分為set（集合）和map（對映類）兩大類，以及這兩大類的衍生體multiset（多鍵集合）和multimap（多鍵對映表）。這些容器的底層機制均以RB-tree完成（紅黑樹）。RB-tree也是一個獨立容器，但並不開放給外界使用。

此外，SGI STL還提供了一個不在標準規格之列的關聯式容器：hash table(散列表，雜湊表)，以及以此hash table為底層機制而完成的hash_set（雜湊集合）、hash_map（雜湊對映表）、hash_multiset（雜湊多鍵集合）、hash_multimap（雜湊多鍵對映表）。

 

map

關聯式容器std::map成員函式

#include<map>

map建立key-value對映

std::map<key, value> mp;

std::map<key, value, comp> mp;

key為鍵值

value為對映值

comp可選，為鍵值對存放策略，例如可為std::less<>，鍵值對映對將按鍵值從小到大儲存

其成員函式如下：

count()：返回map中鍵值等於key的元素的個數

equal_range()：函式返回兩個迭代器——一個指向第一個鍵值為key的元素，另一個指向最後一個鍵值為key的元素

erase(i)：刪除迭代器所指位置的元素（鍵值對）

lower_bound()：返回一個迭代器，指向map中鍵值>=key的第一個元素

upper_bound()：函式返回一個迭代器，指向map中鍵值>key的第一個元素

find(key)：返回鍵值為key的鍵值對迭代器，如果沒有該對映則返回結束遊標end()

注意map的[]操作符，當試圖對於不存在的key進行引用時，將新建鍵值對，值為空。

 

通用演算法(對以上STL均適用)

#include<algorithm>

1．非修正序列演算法：

2．修正序列演算法：

3．排序演算法：

4．數值演算法：