跟我学STL系列(1)——STL入门介绍

一、引言

最近这段时间一直都在自学C++，所以这里总结下自己这段时间的学习过程，通过这种方式来巩固自己学到的内容和以备后面复习所用，另外，希望这系列文章可以帮助到其他自学C++的朋友们。

由于本人之前主要研究C#语言，在自学C++的过程中，经常会把C++中内容与C#中内容进行对比来理解，所以这系列文章的内容也会与C#进行比较，从而来说明语言都是想通的，只要你掌握好一门语言，学习其他语言都可以举一反三。

二、STL是什么

STL全称为Standard Template Library，即标准模板库，该库提供一些常用的容器对象和一些通用的算法等，大家可以理解STL就是一个库，该库帮我们封装了很多容器类和通用的方法，我们可以通过调用该库中封装好的方法和容器类来进行编程，相比C#而言，STL就好比.NET类库中的某个DLL，例如，C# 中，List<T>类存在于mscorlib.dll中System.Collections.Generic命名空间下，C++ 中，list<T>存在于list头文件中std命名空间下，所以C++代码中要使用list<T>容器（在C++中把list成为容器，即一系列元素的集合），必须先通过#include <list>引入list头文件，类似与C#中的添加mscorlib.dll引言，再使用use namespace std引入命名空间，类似与C#中using System.Collections.Generic代码。

三、STL 六大组件

STL通过模板抽象了基于数据结构之上的普遍行为，形成了独特的STL算法。在STL中，这些数据结构成为容器。在容器和算法之间通过中间体：迭代器来进行连接，迭代器可以看做是数据结构和算法之间的纽带，它降低了数据结构和算法之间的耦合度。STL中国又包括六大核心组件，它们分别是：

• 容器（Container）
• 算法（Algorithm）
• 迭代器（Iterator）
• 函数对象，又称仿函数（Function object）
• 适配器（Adaptor）
• 空间配置器（Allocator）

下面对这六大组件分别进行介绍。

3.1 容器

STL中容器可分为序列式容器和关联式容器，其中，序列式容器的每个元素的位置取决于元素被插入时设置的位置，和元素值本身无关，而，关联式容器的元素位置取决于特定的排序规则，和插入顺序无关。意思就说，序列式容器中每个元素的位置与插入的顺序对应，而关联式容器中元素会根据特定的排序规则对每个元素进行排序，与元素插入的顺序无关，更多内容可以参考本系列后面文章介绍。

序列式容器包括：vector、list和deque，而关联式容器有：set、multiset、map和multimap。下表列出了每个容器的简单介绍：

容器	特征	内存结构	可随机存取	元素搜寻速度	头文件
vector	在序列尾部进行插入和删除，访问和修改元素的时间复杂度为O(1)， 但插入和删除的时间复杂度与到末尾的距离成正比。	单端数组	可以	慢	<vector>
list	对任意元素的访问与两端的距离成正比，但对某个位置的插入和删除 花费为常数时间，即O(1)	双向链表	否	非常慢	<list>
deque	与vector基本相同，唯一不同的是，在序列头部插入和删除的 时间复杂度也是O(1)	双端数组	可以	慢	<deque>
set	由节点组成的红黑树，具有快速查找的功能	二叉树	否	快	<set>
multiset	可以支持重复元素，同样具有快速查找能力	二叉树	否	快	<set>
map	由{键，值}对组成的集合，同样具有快速查找能力	二叉树	对key而言可以	对key而言快	<map>
multimap	一个键可以对应于多个值，同样具有快速查找能力	二叉树	否	对key而言快	<map>

上面列出的所有容器在C#中都有相应的对应形式，它们之间的对应关系为：

std::vector——List<T>类

std::list——LinkedList<T>类

std::map——SortedDictionary<TKey,TValue>类

std::set——HashSet<T>类，但这里需要明确，STL中的set是以红黑树作为底层数据结构，而C#中HashSet<T>类是以哈希表作为底层数据结构，因为其两者使用数据结构的不同，从而导致查询效率不同，set查找的花费时间为O（logn），这也是红黑树查询时间，而HashSet的查询花费时间为O（1）。

std::multimap——Dictionary<TKey,List<TValue>>，该类在C#中也不存在的，也需要自己实现

std::multiset——Dictionary<TKey,int>（第二个参数存储着Key的数量）

C++中的std::deque在C#中并没有找到相对应地实现，不过我们可以自己实现，具体实现可以参考文章：A Deque Class in C#。

在上面的对应关系中，C#中的SortedDictionary<TKey,TValue>类是以二叉查找树作为底层数据结构的，而Dictionary<TKey,TValue>类是以哈希表作为底层数据结构的。因为其数据结构的不同从而导致操作效率的不同，下表列出了两者各种操作的区别。

操作	Dictionary<Key,Value>	SortedDictionary<Key,Value>
this[key]	O(1)	O(logn)
Add(key,value)	O(1)	O(logn)
Remove(key)	O(1)	O(logn)
ContainsKey(key)	O(1)	O(logn)
ContainsValue(value)	O(1)	O(n)

3.2 算法

算法是用来操作容器中数据的模板函数，它抽象了对数据结构的操作行为。要使用STL中定义的算法，应首先引入<algorithm>头文件。例如STL中的sort()函数可以对容器中的数据进行排序，可以使用find()函数来搜索容器中的某个元素。这里的算法可以与C#中泛型方法进行对比来理解。

3.3 迭代器

STL实现要点是将容器和算法分开，使两者彼此独立。迭代器使两个联系起来，迭代器提供访问容器中的方法。迭代器实质上是一种智能指针，它重载了->和*操作符。事实上，C++指针也是一种迭代器。在C#中同样有迭代器的概念，具体参考MSDN：http://msdn.microsoft.com/zh-cn/library/dscyy5s0(v=vs.90).aspx，不同的是，在C++ 中迭代器分为五类，这五类分别为：

1. 输入迭代器（Input Iterator）——提供对数据的只读访问；
2. 输出迭代器（Output Iterator）——提供对数据的只写访问；
3. 前推迭代器（Forward Iterator）——提供对数据的读写操作，并能向前推进的迭代器；
4. 双向迭代器（Bidirectional Iterator）——提供对数据的读写操作，并能向前和向后操作；
5. 随机访问迭代器（Random Access Iterator）——提供对数据的读写操作，并能在数据中随机移动。

3.4 函数对象

函数对象，又称为仿函数，STL中的函数对象就是重载了运算符()的模板类的对象，因为该类对象的调用方式类似与函数的调用方式，所以称为函数对象，函数对象类似于C#中的委托对象，熟悉C#的朋友肯定知道，我们可以隐式地调用委托，即委托对象(实参)，更多关于委托内容可以参考我的博文：委托的本质论。

3.5 适配器

适配器是用来修改其他组件接口，与设计模式中的适配器模的达到的效果是一样的。STL中定义了3种形式的适配器：容器适配器、迭代器适配和函数适配器。

容器适配器——包括栈（stack）、队列（queue）和优先队列（priority_queue），容器适配器是对基本容器类型进行进一步的封装，从而转换为新的接口类型。

迭代器适配器——对STL中基本迭代器的功能进行扩展，该类适配器包括反向迭代器、插入迭代器和流迭代器。

函数适配器——通过转换或修改来扩展其他函数对象的功能。该类适配器有否定器、绑定器和函数指针适配器。函数对象适配器的作用就是使函数转化为函数对象，或将多参数的函数对象转换为少参数的函数对象，如STL中bind2nd()就是绑定器。

3.6 空间配置器

当容器中保存的是用户自定义类型数据时，有的数据类型结构简单，占用的空间很小，而有的数据类型结构复杂，占用的内存空间较大；并且有的应用程序需要频繁地进行数据的插入删除操作，这样就需要对内存空间进行频繁地申请和释放工作，然而对内存的频繁操作，会产生严重的性能问题，为了解决这个问题，STL中提供了两个空间配置器，一个是简单空间配置器，仅仅对C运行库中malloc和free进行了简单的封装操作，另一个是“基于内存池的控件配置器”，即容器在每次申请内存的时候，内存池会基于一定的策略，向操作系统申请交大的内存空间，从而避免每次都向OS申请内存。STL中的空间配置器就是负责内存的分配和释放的工作。

四、STL中容器使用示例

看完STL组件之后，现在我们具体看看如何使用STL中的容器进行编程，下面示例是对vector容器进行简单的几个操作。具体代码如下：

#include <iostream>
// 要使用vector容器必须加入vector头文件
#include <vector>
// 引入算法头文件
#include <algorithm>
// 引入std命名空间，如果不引入命名空间，则必须像std::vector这样方式来使用vector容器
using namespace std;  

void main()
{
    // 初始化vector容器对象
    vector<int> vec;
    for(int i=;i<;i++)
    {
        // 向vector中添加一个元素
        vec.push_back(i);
    }  

    // 使用数组初始化vector容器
    int a[]={,,,,,};
    vector<int> vec2(a,a+); // 使用a数组第一位到第六位来初始化vector容器  

    // 定义迭代器对象
    vector<int>::iterator begin;  

    // 遍历vector集合
    for(begin =vec.begin();begin!=vec.end();begin++)
    {
        // 输出vector容器中的元素
        cout<<*begin<<"  ";
    }
    cout<<endl;  

    // 对vec2容器排序
    sort(vec2.begin(),vec2.end());
    // 遍历vector集合
    cout<<"对vec2容器排序后的结果："<<endl;
    for(begin =vec2.begin();begin!=vec2.end();begin++)
    {
        // 输出排序后vec2容器中的元素
        cout<<*begin<<"  ";
    }
    cout<<endl;
}  

上面代码的输出结果如下图所示：

五、小结

该篇博文只是对STL进行一个全面的介绍，希望初学者对STL能有一个全面的认识，并且本文对于一些难懂的内容，都用C#中相关的内容进行了解释，如果有像我一样，之前学习C#朋友可以对比来进行理解，关于STL六大组件的详细介绍会在后面文章进行介绍。

 

PS：这里需要说明的一点，本人开始学习C++，并不是因为C#语言不行，用大牛的一句说就是：语言只是工具，用来实现你思考的工具，重要在于思想和遇到问题的解决方式，并且希望通过C++的学习可以对一些底层的东西可以有一个更深入的认识，因为C#封装的太好，确实我们要去了解底层会有点难，但是并不说不可以，其实它们之间说白了也是差不多的，只是C++可以更好地去了解底层的一些操作罢了，并且我学习的过程，时刻与C#进行对比来进行理解C++的内容，相信这也是一个对C#的巩固的过程。