c++ stl算法

这里是一些stl常用算法,搭配迭代器、function object、lambda有强大的功能

#include<array>
#include<vector>
#include<deque>
#include<list>
#include<forward_list>
#include<map>
#include<set>
#include<unordered_set>
#include<unordered_map>
#include<algorithm>
#include<iterator>
#include<functional>
#include<numeric>
#include<iostream>
#include<string>
#include<cstdlib>
using namespace std;
using namespace placeholders;

template <typename T>
inline void INSERT_ELEMENTS(T& coll,int first,int last){
	for(int i=first;i<=last;++i){
		coll.insert(coll.end(),i);
	}
}

template <typename T>
inline void PRINT_ELEMENTS(const T& coll,const std::string& optcstr=""){
	cout<<optcstr;
	for(auto elem:coll){
		cout<<elem<<' ';
	}
	cout<<endl;
}

template <typename T>
inline void PRINT_MAPPED_ELEMENTS(const T& coll,const string& optcstr=""){
	cout<<optcstr;
	for(auto elem:coll){
		cout<<'['<<elem.first<<','<<elem.second<<"] ";
	}
	cout<<endl;
}
template<typename T>
class AddVal{
	private:
		T theVal;
	public:
		AddVal(const T& v):theVal(v){}
		void operator()(T& elem){
			elem+=theVal;
		}
};
class MeanVal{
private:
	long num,sum;
public:
	MeanVal():num(0),sum(0){}
	void operator()(int elem){
		num++;
		sum+=elem;
	}
	operator double(){
		return static_cast<double>(sum)/static_cast<double>(num);
	}
};
int main(){
	//for_each
//	vector<int>coll;
//	INSERT_ELEMENTS(coll,1,8);
/*	for_each(coll.begin(),coll.end(),[](int elem){cout<<elem<<' ';});
	cout<<endl;
	for_each(coll.begin(),coll.end(),[](int& elem){elem+=10;
	});
	PRINT_ELEMENTS(coll);
	for_each(coll.begin(),coll.end(),[=](int& elem){elem+=*coll.begin();
	});		
	for_each(coll.begin(),coll.end(),AddVal<int>(10));		*/
//	transform(coll.begin(),coll.end(),coll.begin(),[](int elem){return elem+10;});
//	transform(coll.begin(),coll.end(),coll.begin(),[=](int elem){return *coll.begin()+elem;});
//	PRINT_ELEMENTS(coll);
//	double mv=for_each(coll.begin(),coll.end(),MeanVal());
//	cout<<"mean val: "<<mv<<endl;
	//count
/*	PRINT_ELEMENTS(coll);
	auto num = count(coll.begin(),coll.end(),4);
	cout<<"number of elements equal to 4: "<<num<<endl;
	num=count_if(coll.begin(),coll.end(),[](int elem){return elem%2==0;
	});
	cout<<"number of elements with even value: "<<num<<endl;
	num = count_if(coll.begin(),coll.end(),[](int elem){return elem>4;
	});
	cout<<"number of elements greater than 4: "<<num<<endl;		*/
	//find
/*	list<int>coll;
	INSERT_ELEMENTS(coll,1,9);
	INSERT_ELEMENTS(coll,1,9);
	PRINT_ELEMENTS(coll,"coll: ");
	auto pos1=find(coll.begin(),coll.end(),4);
	decltype(pos1)pos2;
	if(pos1!=coll.end())
		 pos2=find(++pos1,coll.end(),4);
	if(pos1!=coll.end()&&pos2!=coll.end()){
		copy(--pos1,++pos2,ostream_iterator<int>(cout," "));
		cout<<endl;
	}		
	vector<int>coll;
	INSERT_ELEMENTS(coll,1,9);
	PRINT_ELEMENTS(coll,"coll: ");
	auto pos=find_if(coll.begin(),coll.end(),bind(greater<int>(),_1,3));
	cout<<"the "<<distance(coll.begin(),pos)+1<<".element is the first greater than 3"<<endl;
	pos=find_if(coll.begin(),coll.end(),[](int elem){
	return elem%3==0;});
	cout<<"the "<<distance(coll.begin(),pos)+1<<".ele is the first divisible by 3"<<endl;
	pos=find_if_not(coll.begin(),coll.end(),bind(less<int>(),_1,5));
	cout<<"the first value >= 5:"<<*pos<<endl;		
	//copy
	vector<string>coll1={"hello","this","is","an","sample"};
	list<string>coll2;
	copy(coll1.begin(),coll1.end(),back_inserter(coll2));
	copy(coll2.begin(),coll2.end(),ostream_iterator<string>(cout," "));
	cout<<endl;
	copy(coll1.begin(),coll1.end(),coll2.begin());
	copy(coll2.begin(),coll2.end(),ostream_iterator<string>(cout," "));
	cout<<endl;
	copy(istream_iterator<string>(cin),istream_iterator<string>(),ostream_iterator<string>(cout," "));
	cout<<endl;		
	//transform
	vector<int>coll1;
	list<int>coll2;
	INSERT_ELEMENTS(coll1,1,9);
	PRINT_ELEMENTS(coll1,"coll:	");
//	transform(coll1.begin(),coll1.end(),coll1.begin(),negate<int>());
	transform(coll1.begin(),coll1.end(),coll1.begin(),coll1.begin(),multiplies<int>());
//	PRINT_ELEMENTS(coll1,"negated: ");
	PRINT_ELEMENTS(coll1,"squared: ");
//	transform(coll1.begin(),coll1.end(),back_inserter(coll2),bind(multiplies<int>(),_1,10));
	transform(coll1.begin(),coll1.end(),coll1.rbegin(),back_inserter(coll2),plus<int>());
	PRINT_ELEMENTS(coll2,"coll2: ");
	cout<<"diff:	";
//	transform(coll2.rbegin(),coll2.rend(),ostream_iterator<int>(cout," "),[](int elem){return -elem;
//	});
	transform(coll1.begin(),coll1.end(),coll2.begin(),ostream_iterator<int>(cout," "),minus<int>());
	cout<<endl;		
	//fill
	fill_n(ostream_iterator<float>(cout," "),10,7.7);
	cout<<endl;
	list<string>coll;
	fill_n(back_inserter(coll),9,"hi");
	PRINT_ELEMENTS(coll,"coll: ");
	fill(coll.begin(),coll.end(),"again");
	PRINT_ELEMENTS(coll,"coll: ");
	fill_n(coll.begin(),coll.size()-2,"hello");
	PRINT_ELEMENTS(coll,"coll: ");
	list<string>::iterator pos1,pos2;
	pos1=coll.begin();
	pos2=coll.end();
	fill(++pos1,--pos2,"hmmm");
	PRINT_ELEMENTS(coll,"coll: ");	
	//generate
	list<int>coll;
	generate_n(back_inserter(coll),5,rand);
	PRINT_ELEMENTS(coll);
	generate(coll.begin(),coll.end(),rand);
	PRINT_ELEMENTS(coll);			
	//replace
	list<int>coll;
	INSERT_ELEMENTS(coll,2,6);
	INSERT_ELEMENTS(coll,4,9);
	PRINT_ELEMENTS(coll,"coll:	");
	//replace(coll.begin(),coll.end(),6,42);
	replace_copy(coll.begin(),coll.end(),ostream_iterator<int>(cout," "),5,55);
	cout<<endl;
	replace_copy_if(coll.begin(),coll.end(),ostream_iterator<int>(cout," "),bind(less<int>(),_1,5),42);
	cout<<endl;
	replace_copy_if(coll.begin(),coll.end(),ostream_iterator<int>(cout," "),[](int elem){return elem%2==1;
	},0);
	cout<<endl;
//	PRINT_ELEMENTS(coll,"coll:	");
//	replace_if(coll.begin(),coll.end(),[](int elem){return elem<5;
//	},0);
//	PRINT_ELEMENTS(coll,"coll:	");		
	//remove
	vector<int>coll;
	INSERT_ELEMENTS(coll,2,6);
	INSERT_ELEMENTS(coll,4,9);
	INSERT_ELEMENTS(coll,1,7);
	PRINT_ELEMENTS(coll,"coll:	");
	vector<int>::iterator pos;
	pos=remove(coll.begin(),coll.end(),5);
	PRINT_ELEMENTS(coll,"size not chang:	");
	coll.erase(pos,coll.end());
	PRINT_ELEMENTS(coll,"size chang:	");
	coll.erase(remove_if(coll.begin(),coll.end(),[](int elem){return elem<4;
	}),coll.end());
	PRINT_ELEMENTS(coll,"<4 removeed:	");		*/
	list<int>coll;
	INSERT_ELEMENTS(coll,1,6);
	INSERT_ELEMENTS(coll,1,9);
	PRINT_ELEMENTS(coll);
	remove_copy(coll.begin(),coll.end(),ostream_iterator<int>(cout," "),3);
	cout<<endl;
	remove_copy_if(coll.begin(),coll.end(),ostream_iterator<int>(cout," "),[](int elem){
		return elem>4;});
	cout<<endl;
	multiset<int>coll2;
	remove_copy_if(coll.begin(),coll.end(),inserter(coll2,coll2.end()),bind(less<int>(),_1,4));
	PRINT_ELEMENTS(coll2);	
	return 0;
}


<think>首先,用户要求我根据系统级指令生成回答。系统级指令包括: 1. 所有行内数学表达式必须使用 $...$ 格式。 2. 独立公式必须使用 $$...$$ 格式并单独成段。 3. LaTeX语法正确。 4. 使用中文回答。 5. 生成相关问题。 6. 回答中引用的段落末尾自然地添加引用标识,例如 [^1]。 用户可见层要求: - 回答结构清晰,帮助用户逐步解决问题。 - 尽量保证回答真实可靠。 用户的问题是关于C++ STL算法的详细讲解。用户提供了几个引用,这些引用来自之前的上下文,我应该参考它们。 引用内容: - [^1]: STL不是面向对象的,依赖于模板而不是OOP,提供通用性。 - [^2]: STL的高可重用性、高性能、高移植性、跨平台;三大组件:容器、算法、迭代器。 - [^3]: 一个示例代码,使用find_if算法查找元素。 - [^4]: 一个示例代码,使用sort算法和greater进行排序。 - [^5]: 另一个示例代码,使用自定义函数对象进行排序。 用户说:“我想用户希望获得对C++ STL算法的详细解释”,所以我需要专注于STL算法部分。 我的回答结构应该清晰,逐步解释STL算法。包括: 1. **介绍STL算法**:解释什么是STL算法,它们在STL中的作用。 2. **分类和常见算法**:列出常见的算法类别,如查找、排序、遍历等。 3. **示例代码**:提供一些示例代码来演示算法使用,参考用户提供的引用。 4. **特点**:讨论STL算法的特点,如通用性、效率等。 5. **生成相关问题**:在回答末尾添加相关问题。 由于用户要求使用中文回答,整个回答必须是中文。 对于数学表达式:在STL算法中,可能没有太多数学内容,但如果有涉及数学的部分,如比较函数,我需要使用$...$格式。例如,如果提到一个公式,如比较函数,我可以写成类似 $f(x) > g(x)$。 在提供的引用中,没有明显的数学公式,所以我可以专注于算法描述。 现在,规划回答结构: - **开头**:简要介绍STL算法。 - **主体**:分节解释算法类型,提供示例。 - 例如:查找算法(如find, find_if),排序算法(如sort),其他算法(如for_each, transform)。 - 使用用户提供的引用代码作为示例。 - 在解释时,自然地添加引用标识。 - **结尾**:总结,并生成相关问题。 生成相关问题:基于STL算法,提出一些相关的问题,如: 1. STL算法的性能如何优化? 2. 如何自定义比较函数在STL算法中? 3. STL算法在哪些场景下应用最广泛? 确保回答真实可靠:基于我的知识,STL算法C++标准库的一部分,提供高效、通用的算法操作序列。 最终输出格式:使用中文,结构清晰。</think>### C++ STL 算法详细讲解 C++ 标准模板库(STL)是 C++ 编程中不可或缺的部分,它提供了一套高效、通用的算法,用于操作序列容器(如 vector、list 等)。STL 算法基于迭代器设计,不依赖于具体容器类型,这使得它们具有高度的可重用性和性能。STL 算法主要分为几类:非修改序列操作(如查找、遍历)、修改序列操作(如排序、复制)和数值算法STL 的高性能源于其模板和内联函数的设计,避免了虚函数开销,并能生成高效代码[^2]。下面我将逐步解释 STL 算法的核心概念、常见类型和使用方法。 #### 1. STL 算法的基本概念 STL 算法通过迭代器(如 `begin()` 和 `end()`)操作容器元素,而不是直接处理容器本身。这种设计实现了“泛型编程”,算法可以应用于任何支持迭代器的序列。例如,一个排序算法可以用于 vector 或 list,只要提供合适的迭代器范围。算法通常以函数模板形式实现,支持自定义比较函数或谓词(predicate),允许用户定义操作逻辑。STL 算法的性能优势在于它们使用内联函数和高效数据结构(如红黑树),确保时间复杂度接近最优,例如查找操作在 map 中可以达到 $O(\log n)$ 的时间复杂度[^2]。 #### 2. 常见 STL 算法分类及示例 STL 算法包括多种类型,下面我将分类介绍,并提供代码示例(基于用户提供的引用)。所有示例都使用中文注释,便于理解。 ##### (a) 查找算法 查找算法用于在序列中定位元素,常见的有 `find()` 和 `find_if()`。`find()` 直接查找值,而 `find_if()` 使用谓词(函数对象或 lambda)进行条件查找。 - **示例:使用 `find_if()` 查找元素** 以下代码演示如何查找 vector 中等于 5 的元素。它定义了一个函数对象 `GreaterFive` 作为谓词,通过重载 `operator()` 实现条件判断。 ```cpp #include <iostream> #include <vector> #include <algorithm> using namespace std; // 定义函数对象作为谓词 class GreaterFive { public: bool operator()(int val) { // 重载调用运算符 return val == 5; // 条件:值等于 5 } }; void test01() { vector<int> v; for (int i = 0; i < 10; i++) { v.push_back(i); // 初始化 vector } // 使用 find_if 算法查找元素 vector<int>::iterator it = find_if(v.begin(), v.end(), GreaterFive()); if (it == v.end()) { cout << "not found" << endl; } else { cout << "found: " << *it << endl; // 输出找到的元素 } } int main() { test01(); // 输出:found: 5 return 0; } ``` 在这个例子中,`find_if()` 遍历序列,当谓词返回 true 时停止。时间复杂度为 $O(n)$,其中 $n$ 是序列长度。函数对象的使用避免了虚函数调用,提升效率[^3]。 ##### (b) 排序算法 排序算法如 `sort()` 对序列进行排序,支持自定义比较规则。默认是升序,但可以通过函数对象(如 `greater<int>()`)或自定义谓词实现降序。 - **示例:使用 `sort()` 进行降序排序** 以下代码展示如何用 `greater<int>` 内建函数对象对 vector 降序排序,并输出结果。 ```cpp #include <iostream> #include <vector> #include <algorithm> #include <functional> // 包含 greater 函数对象 using namespace std; // 辅助函数对象,用于输出元素 template <class T> class display { public: void operator()(const T &x) { cout << x << " "; } }; int main() { int ia[] = {1, 5, 4, 3, 2}; vector<int> iv(ia, ia + 5); // 初始化 vector // 使用 sort 算法降序排序 sort(iv.begin(), iv.end(), greater<int>()); // 遍历输出 for_each(iv.begin(), iv.end(), display<int>()); // 输出:5 4 3 2 1 return 0; } ``` 这里,`sort()` 的时间复杂度平均为 $O(n \log n)$。`greater<int>()` 是 STL 提供的函数对象,用于比较 $a > b$。用户也可以自定义函数对象,如: ```cpp class intSort { public: bool operator()(int a, int b) { return a > b; // 降序比较 } }; // 使用:sort(v.begin(), v.end(), intSort()); ``` 这种模板化设计确保了算法通用性,代码高效且可移植[^4][^5]。 ##### (c) 遍历和修改算法 这些算法包括 `for_each()` 和 `transform()`,用于遍历序列或应用转换操作。`for_each()` 对每个元素执行函数,`transform()` 生成新序列。 - **示例:使用 `for_each()` 输出元素** 结合前面的 `display` 函数对象,`for_each()` 可以简洁地遍历容器。 ```cpp // 接上例,在 main 函数中添加 for_each(iv.begin(), iv.end(), display<int>()); // 输出排序后的元素 ``` 时间复杂度为 $O(n)$,适用于批量操作。 #### 3. STL 算法的特点和最佳实践 - **通用性**:算法通过迭代器抽象容器细节,例如同一个 `sort()` 可用于数组、vector 或 deque。这得益于 STL 基于模板而非继承的设计[^1]。 - **性能优化**:算法使用内联函数减少开销;例如,`sort()` 在随机访问迭代器上使用快速排序变体。自定义谓词时应优先用函数对象而非函数指针,以避免间接调用开销。 - **自定义规则**:通过谓词实现灵活行为,例如在查找或排序中定义 $f(x) > k$ 的条件。数学上,这类似于定义一个不等式谓词 $P(x)$,其中 $P(x) = \text{true}$ 当 $x$ 满足条件。 - **注意事项**:确保迭代器范围有效;避免在修改序列的操作中使用无效迭代器。STL 算法无副作用(非修改算法),但修改算法(如 `sort()`)会改变原序列。 #### 4. 总结 STL 算法C++ 高效编程的核心工具,提供标准化、高性能的操作序列方法。通过迭代器和函数对象,它们实现了跨容器和跨平台的通用性[^2]。在实际开发中,结合容器(如 vector)和算法可以简化代码并提升性能,例如在数据处理或游戏开发中广泛应用。更多细节可参考 C++ 标准库文档或相关书籍。
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