C++ 标准模板库STL

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gaoqizhong7

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分类专栏：博客精选文章标签： c++ 数据结构

于 2022-06-11 02:50:01 首次发布

本文链接：https://blog.youkuaiyun.com/trisomydroplets/article/details/125219309

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前言

本文近万字，不过每一句话都经过了我仔细斟酌，同时参阅了大量资料及底层代码。读完本文，你可以全面的掌握STL的设计思想、使用方法以及一些关键的底层实现。另外，本文可能并不适合 C++ 初学者，你可以当做字典使用。

一、STL简介

STL(Standard Template Library)标准模板库，最早由惠普实验室开发，是一个基于泛型编程思想（模板）的程序库，内嵌于C++编译器中。它提供了几乎所有常见的数据结构类型及其算法，是对基础数据结构的补充与强化。它有两个特征：

特性1：数据结构与算法的分离。基于泛型编程思想，STL中算法并不依赖于数据结构进行实现。换句话说，STL中的一个算法可以操作几种不同的容器数据。例如，sort()可作用于动态数组、栈和队列，甚至是链表。实际上，这主要是通过迭代器实现的。

特性2：STL并非面向对象(OOP)。STL中的数据结构与算法皆不具有明显的继承关系，各部分之间相互独立。“采用非面向对象的方法在逻辑上降低了各部分之间的耦合关系，以提升各自的独立性、弹性、交互操作性”。这符合泛型编程设计原理。不过，STL也采纳了一些封装的思想，令使用者不必知晓其底层实现也能应用自如。

常用的STL手册：Containers - C++ Reference、STL教程：C++ STL快速入门

二、STL的组件

要设计一个复杂的系统，当然不是用一个 .cpp 就能完成的。工程师的方法当然是将其拆分成组件，从而分别进行设计，再将这些组件按照一定规则组合起来。STL在整体上就遵循这样的设计思路。STL由6个组件组成：容器、算法、迭代器、仿函数、容器适配器、空间配置器；

容器：各种数据结构，如vector、list、deque、set、map。以模板类的方式提供。
算法：对容器中的数据执行操作的模板函数，如sort()、find()。在 std 命名空间中定义。
迭代器：一种访问容器的方法，可理解为指针。算法对容器的操作要借助迭代器才能实现。
仿函数：一种类，可以像使用函数一样使用它，可理解为更高级的运算符重载。
容器适配器：一种接口类，封装了一些基本容器，如stack、queue等。
空间配置器：自动配置与管理内存空间。使用STL时无需手动管理内存。

* 实际使用时，我们只要掌握前三个即可！

STL组件的交互关系：容器通过空间配置器取得数据存储空间，算法通过迭代器操作容器中的内容，仿函数可以协助算法，适配器可以修饰仿函数。如图： (了解即可)

三、STL头文件与命名空间

STL被定义在命名空间 std 中，头文件如下：

头文件	作用	头文件	作用
<vector>	提供 vector向量容器	<iterator>	为迭代器提供支持
<deque>	提供 deque双端队列容器	<functional>	为仿函数提供支持
<list>	提供 list列表容器	<algorithm>	为大量算法提供支持
<queue>	提供 queue队列适配器	<numeric>	为部分算法提供支持
<stack>	提供 stack栈适配器	<memory>	为配置器提供支持
<set>	提供 set集合容器	<utility>	重载关系运算符定义pair类型
<map>	提供 map 映射容器	<utility>	重载关系运算符定义pair类型

详细文档链接：STL 头文件一览表_ba_jie的博客-优快云博客_stl头文件

四、STL三大组件之 —— 容器

4.1 容器概述

要操作任何数据，首先要解决数据的存储问题。简单地说，容器就是一个能够容纳各种数据的“桶”。不过，容器中不仅储存数据，还用各种组织方式将数据组织起来，就形成了数据结构。容器就是一个高级的桶，它里面还存放了成员函数。

根据组织数据的方式不同，STL 提供的标准容器可分为 3 类：序列容器、排序容器、哈希容器。其中后两类容器也统称为关联容器。

序列容器：主要包括 vector 向量容器、list 列表容器以及 deque 双端队列容器。元素在容器中的位置同元素的值无关，即容器不是排序的。类似数组，序列容器随机存储性能较好。
排序容器：包括 set 集合容器、multiset多重集合容器、map映射容器以及 multimap 多重映射容器。排序容器中的元素是排序好的（按键排序）。类似函数映射，排序容器查找性能较好。
哈希容器：C++11 新加入 4 种关联式容器，分别是 unordered_set 哈希集合、unordered_multiset 哈希多重集合、unordered_map 哈希映射以及 unordered_multimap 哈希多重映射。哈希容器中的元素是未排序的，元素的位置由哈希函数决定。哈希容器查找性能比排序容器更好，而遍历效果较差。

4.2 序列式容器

array<T,N> (数组容器)：可以存储 N 个元素的高级数组。容器一旦建立，其长度就固定不变；STL array容器用法详解
vector<T> (向量容器)：一个长度可变的序列容器，你常常会在LeetCode使用它。使用此容器，在尾部增加或删除元素的效率最高O(1) ，在其它位置插入或删除元素效率一般O(n) ；STL vector容器详解
deque<T> (双端队列容器)：和 vector 非常相似，区别在其在头部插入或删除元素也同样高效O(1)；STL deque容器详解
list<T> (链表容器)：一个长度可变的序列容器，底层为双向链表。在这个序列的任何地方都可以高效地增加或删除元素O(1)，但随机访问的效率一般O(n)；STL list容器详解
forward_list<T> (正向链表容器)：和 list 容器非常类似，但底层为单链表，只能正向进行访问。它比链表容器快、更节省内存。STL forward_list容器详解

4.3 排序式容器

pair<T, T> (键值对类模板)：一个类模板，用以创建键值对。STL pair用法详解
map<T, T> (映射容器)：其中存储pair对象，存储时会自动根据键的大小进行排序 (内部排序，对使用者是不可见的，除非用迭代器遍历)。容器中的键都是唯一不重复的，且不能被修改。STL map容器详解
multimap<T, T> (多重映射容器)：与map容器非常相似，区别在于multimap容器可以同时存储多个键相同的键值对。STL multimap容器用法详解
set<T> (集合容器) ：类似于map，set容器也存储pair对象，但要求键值对的键与值必须相等，故只需一个参数T。STL set容器详解
multiset<T> (多重集合容器)：与set容器非常相似，区别在于multiset容器可以同时存储多个键相同的键值对。STL multiset容器详解