《C++ Primer》第II部分：C++标准库

《C++ Primer》第II部分：C++标准库

前言

把《C++ Primer》读薄系列笔记。本篇为第II部分C++标准库，包含全书第8～12章重难点：

1. IO库
2. 顺序容器
3. 范型算法
4. 关联容器
5. 动态内存

修订版课后题解见GitHub仓库cpp-primer-workbook。

IO库

1. IO类继承机制：ifstream和istringstream继承自istream，ofstream和ostringstream都继承自ostream
2. 宽字符IO类：在函数和类型前加前缀w，如wcin、wistream
3. IO对象无拷贝赋值：IO操作的函数通常以引用方式传递和返回流；由于读写会改变状态，IO对象的引用不能是const
4. 条件状态：iostate表示流状态的类型，其包含4种constexpr值，badbit（流崩溃）、failbit（可恢复错误）、goodbit、eofbit；对应4个函数bad()、fail()、good()、eof()
5. 管理条件状态：rdstate()获取状态，clear()清除所有错误标志位，clear(flags)和setstate(flags)将状态置为flags
6. 刷新输出缓冲区：可使用操纵符endl（换行）、flush、ends（空字符）；开启unitbuf每次调用flush，nounitbuf解除
7. 关联流：交互式系统通常关联输入和输出流，使所有输出在读操作前被打印；每个流同时最多关联到一个流，但多个流可以关联到同一个ostream；将其关联到空指针可彻底解开关联
8. fstream特有：打开文件绑定流的open()、关闭绑定文件的close()、文件是否成功打开且尚未关闭的is_open()
9. stringstream特有：将s拷贝到stringstream对象的str(s)、返回保存的string的拷贝的str()

顺序容器

1. 选择容器：标准库容器性能通常优于同类数据结构；C++标准新增array数组和forward_list单向链表；很多小元素且额外空间开销大，不用list或forward_list
2. 容器的额外操作：iterator表示迭代器类型，size_type无符号整型，value_type指元素类型，reference与value_type&等价
3. size操作：返回容器内元素数量；forward_list没有size操作，其他容器的size操作是常量时间
4. 反向容器：reverse_iterator按逆序寻址的迭代器，rbegin()是尾迭代器，crend()表示const首前迭代器，
5. forward_list：不支持反向容器迭代器，且其迭代器不支持递减运算
6. 容器初始化：必须是相同的容器类型，且保存相同类型的元素
7. 用大小初始化：只有顺序容器的构造函数才接受大小参数，关联容器不支持
8. array：具有固定大小，列表初始化的数目必须等于或小于array的大小；花括号列表只能初始化不能赋值
9. assign：仅顺序容器支持，传递给assign的迭代器不能指向调用assign的容器；会导致指向容器的迭代器、引用、指针失效
10. swap：除array外，swap不对任何元素进行拷贝、删除、插入，可保证常数时间完成；除string外，指向其他容器的迭代器、引用、指针在swap后都不会失效
11. 关系运算符：两边的运算对象必须是相同的容器类型，且保存相同类型的元素
12. 插入元素：返回新添加的第一个元素的迭代器；向vector、string、deque插入元素，会使指向的迭代器、引用、指针失效；插入迭代器表示的范围内的一段元素时，不能指向与目的位置相同的容器
13. 元素是拷贝：用一个对象来初始化或插入容器时，实际上放入的是拷贝，容器中元素与提供值的对象无任何关联
14. 访问元素：at和下标操作只支持string、vector、deque、array；访问成员函数返回的是引用
15. 删除元素：clear和pop返回void，erase返回指向最后一个被删元素之后元素的迭代器
16. 特殊的forward_list操作：添加或删除通过改变给定元素之后的元素来完成；定义了首前迭代器before_begin()；insert_after()返回指向最后一个插入元素的迭代器；erase_after()返回指向被删元素之后的元素的迭代器
17. 改变容器大小：resize()可用来增大或缩小容器，缩小容器则多余元素被删除，增大则填充指定值或默认初始值对象

18. 迭代器失效：添加或删除元素可能使指向容器元素的指针、引用、迭代器失效

    	添加元素	删除元素
    vector、string	存储空间未重新分配，则插入位置之后失效；否则全部失效	被删元素及之后失效
    deque	在首尾添加只有迭代器失效；否则全部失效	删除首元素只首元素失效；删除尾元素则尾后迭代器也失效；删除首尾之间元素则全部失效
    list、forward_list	不影响	只有被删元素受影响

19. 不保存尾后迭代器：在循环中插入删除deque、string、vector中元素，应每次重新调用end()
20. 管理容器大小：capacity()返回容器保留内存的大小，空容器返回0；reverse()只能增加容器保留内存大小；减少所占空间可用shrink_to_fit()申请将空间值缩小到元素数量，但不保证一定退回内存空间
21. 重新分配内存：只有执行insert时size和capacity相等，或resize、reserve时给定大小超过capacity，vector才会分配新的内存空间，分配量取决于底层实现
22. 修改string：replace和insert所允许的参数形式args依赖于范围range和位置pos是如何指定的
23. string::npos：string搜索失败返回的static成员，类型是const string::size_type，被初始化为-1
24. string搜索：find()第一次出现，rfind()最后一次出现，find_first_of()参数中任何一个字符第一次出现，find_last_not_of()非参数中的字符最后一次出现；找到返回下标，没找到返回npos
25. string数值转换：s=to_string(val); val = stoi(s, p, b); val可以是任何算术类型，对应stoi函数替换为stol、stod等，p表示字符串开始转换的下标，b表示转换所用基数
26. 容器适配器：容器适配器接受一个已有的容器类型，使其行为看起来像一种不同类型
27. 底层容器：stack和queue默认基于deque，priority_queue默认基于vector；不能使用不能添加删除元素的array，或不能访问尾元素的forward_list作为底层容器；stack可用除array和forward_list外的任何容器构造，queue可使用list或deque，priority_queue可基于vector或deque
28. 适配器操作：每个适配器都基于底层容器类型的操作定义了自己的特殊操作，只能使用适配器操作，不能使用底层容器操作

范型算法

1. 范型算法：实现了一些经典算法的公共接口，可用于不同类型的元素、多种类型的容器、其他类型序列
2. 迭代器与算法：算法工作于迭代器之上，迭代器令算法不依赖于容器，但依赖于元素类型的操作；算法永远不会执行容器操作，所以不会改变底层容器的大小
3. 输入范围：标准库算法通常对一个范围内的元素进行操作，用两个迭代器参数表示左闭右开区间
4. 算法分类：是否读取元素、改变元素、重排元素顺序
5. 只读算法：只读取而不改变元素，最好用常量迭代器；若计划用算法返回的迭代器改变元素值，就要传递非常量参数
6. 写算法：算法不检查写操作，都假定目的位置空间足够大；常见错误有在刚定义的空容器上进行fill_n或其他写操作；保证算法有足够元素空间来容纳输出可用插入迭代器
7. 迭代器参数：一些算法读两个序列，不要求容器或元素类型严格匹配，只要求两个序列中的元素能够比较
8. 拷贝算法：copy返回目的位置迭代器（递增后）的值；多个算法提供“拷贝”版本，接受一个额外的目的迭代器参数，将新序列拷贝到里面，而不改变原输入范围的序列
9. 重排算法：去除容器重复元素的方法是，先调用重排算法sort和unique，再用容器操作erase
10. 定制操作：算法默认使用<或==运算符完成，但允许我们传递任何类型的可调用对象，用自定义操作代替默认运算符
11. 可调用对象：函数、函数指针、重载了函数调用符()的类、lambda表达式
12. 谓词：返回可转换为bool型的函数，通常用于判定元素关系；根据接受参数个数分为一元谓词和二元谓词
13. lambda表达式：[捕获列表] (参数列表) -> return 返回类型 {函数体}；某些时候参数列表和返回类型可省略；不能有默认参数
14. 捕获列表：只需捕获局部非静态变量，分为值捕获和引用捕获；值捕获的变量的值是lambda创建时的拷贝，若要改变需要在参数列表后加mutable关键字；引用捕获要保证lambda执行时变量仍存在，是否可变由是否是常量引用而定
15. 隐式捕获：让编译器根据lambda体中的代码推断需要使用哪些变量，使用&或=参数表示引用捕获或值捕获；混合使用隐式和显式捕获时，两者捕获方式必须不同
16. lambda返回：lambda体只含有一个return语句可省略返回类型；否则lambda默认将返回void，必须指定返回类型
17. bind函数：auto newCallable = bind(callable, arg_list)；传给newCallable的参数会按照arg_list中占位符参数的顺序传给callable
18. 占位符：形如_n，n为整数；定义在std::placeholders的命名空间
19. 绑定引用参数：bind的那些不是占位符的参数默认被拷贝到可调用对象中；希望传递给bind一个对象而不拷贝它，必须使用ref或cref；bind、placeholders、ref都定义在头文件functianal中
20. 插入迭代器：back_inserter、inserter、front_inserter调用容器操作push_back、insert、push_front；*it、++it、it++都返回it
21. 流迭代器：将对应流当作特定类型的元素序列处理；istream_iterator输入，ostream_iterator输出
22. istream_iterator：空的istream_iterator可作为尾后迭代器；比较两个istream_iterator是否相等必须读取相同类型，如果都是尾后迭代器或绑定到相同的输入则相等
23. ostream_iterator：it、++it、it++都返回it；推荐使用it，可与其他迭代器的使用保持一致，将来修改更容易
24. 反向迭代器：rbegin指向尾元素、rend指向首前元素；递增操作移动到前一个元素；反向迭代器的base操作可以得到普通迭代器，但正反向迭代器互相转换时指向的是不同元素
25. 算法要求的迭代器：输入迭代器、输出迭代器、前向迭代器、双向迭代器、随机访问迭代器；C++标准指明了算法的每个迭代器参数的最小类别，但编译器通常不会报该类错
26. 算法命名：接受谓词来替代默认运算符、或不接受额外参数的算法通常是重载函数；接受谓词来替代元素值的算法都有附加的_if，如find_if；拷贝到额外空间都有附加的_copy，如replace_copy；一些算法同时提供_copy和_if，如remove_copy_if
27. 链表的算法：list和forward_list有自己的函数成员sort、merge、remove、reverse、unique，可改变底层容器，优先使用它们而不是通用算法
28. splice成员：链表特有的算法，将一个链表的一截移动到另一个链表的指定位置，要保证移动的目的位置不在待移动范围内

关联容器

1. 关联容器分类：set还是map、关键字是否重复、关键字是否有序
2. 关联容器：可列表初始化；不支持位置相关操作，不支持参数为元素值和对应数量的构造或插入；迭代器是双向的
3. 有序容器：关键字类型必须定义了比较方法，默认情况下使用<运算符，可自定义一个严格弱序
4. 严格弱序：不能同时“小于等于”对方；“小于等于”具有传递性；双方都不“小于等于”对方称为“等价”，“等价”具有传递性
5. pair类型：可用花括号包围的初始化器来返回pair类型的对象，老版本只允许显式构造
6. 关联容器迭代器：map的value_type是pair<const key_type, mapped_type>，所以map迭代器只能改变关键字映射的值，不能修改关键字；set的value_type等于key_type，都是const关键字，不能修改
7. 关联容器insert：只有当关键字不存在时才插入，函数返回一个pair，包含一个指向元素的迭代器，和一个指示是否插入成功的bool型
8. 关联容器erase：若传入迭代器，必须保证指向真实元素；若传入关键字，则返回被删去的所有该关键字的元素的数量
9. map的下标操作：map下标操作返回mapped_type，解引用返回value_type；若关键字还不存在，会创建一个对应关键字且值为0的新元素，已存在则返回最近一次赋的值；只能用于map和unorders_map
10. 查找元素：find（第一个等于的迭代器）、count（数量）、lower_bound（第一个小于等于的迭代器）、upper_bound（第一个大于的迭代器）、equal_range（返回一个迭代器pair，表示所有相等的头及尾后位置）
11. 无序关联容器：使用关键字的哈希函数和==运算符；不能直接定义关键字类型为自定义类类型的无序容器，必须提供自己的hash模板版本，或者用另一种方法，类似于有序容器重载关键字类型的默认比较操作
12. 管理桶：无序容器在存储上组织为一组桶，每个桶保存哈希值相同的若干元素；无序容器的性能依赖于哈希函数的质量和桶的数量及大小；管理桶的函数包括桶接口、桶迭代、哈希策略

动态内存

1. 动态内存：除了静态内存和栈内存，每个程序有自由空间（堆），用于存储动态分配的对象；自由空间中分配的对象直到显式释放或程序结束才被销毁
2. 智能指针：自动释放指向的对象及对象所占内存；shared_ptr可多个指向一个对象，unique_ptr独占所指对象；智能指针不支持指针算术运算
3. 引用计数：shared_ptr关联的计数器，拷贝shared_ptr时递增，赋值或销毁时递减；计数器为0则自动释放管理对象
4. 使用动态内存的场景：不知道对象数量、不知道对象的准确类型、多个对象间共享数据
5. 直接内存管理：new分配内存，delete释放；不能依赖类对象拷贝、赋值、销毁的默认定义；内置类型默认初始化为未定义，建议用圆括号直接初始化；只有当括号中仅有单一初始化器时才可以使用auto
6. 动态分配的const：new分配const对象是合法的，它的值不能被改变，但本身可用delete销毁
7. 空悬指针：指向一块曾经保存数据对象但现在无效的内存的指针；delete指针会变成空悬指针，此时建议用nullptr给它赋值
8. 初始化智能指针：不能进行内置指针到智能指针的隐式转换，必须使用直接初始化形式；智能指针默认使用delete释放，所以用于初始化智能指针的普通指针必须指向动态内存，管理的资源不是new分配的内存，则必须传入一个删除器替代delete
9. 混用智能指针和普通指针：shared_ptr绑定普通指针，不应再使用内置指针访问这块内存；只有确定代码不会delete指针时才能使用get将访问权限传递给代码，不要用get初始化或给另一个智能指针赋值
10. 修改shared_ptr共享对象：当改变底层对象时调用unique判断自己是否是仅有用户，如果不是则用reset制作新拷贝
11. unique_ptr：不支持普通的拷贝或赋值，但可拷贝或赋值一个即将销毁的unique_ptr，如函数返回值；调用release或reset将指针的所有权从一个非const的unique_ptr转移给另一个unique_ptr；调用reset()或用nullptr赋值可以释放对象，release只会切断管理关系
12. unique_ptr的删除器：管理方式与share_ptr不同，删除器会影响到类型及构造过程；重载删除器必须在尖括号里指明删除器类型，并在参数列表里指定一个可调用对象（删除器）
13. weak_ptr：是一种弱引用，指向shared_ptr的对象，但不改变引用计数；调用lock返回指向的shared_ptr对象，当对象计数器为0时返回空shared_ptr
14. 分配动态数组：使用new T[]分配指定数量的内存，返回的是元素类型指针而不是数组；可用空括号或花括号对数组初始化，但不能在括号中出现初始化器，所以不能用auto；可分配0长度的数组，此时返回的指针类似尾后指针
15. 释放动态数组：delete []释放，空的方括号是必须的，否则会没有警告但行为异常
16. 动态数组的智能指针：unique_ptr管理new分配的数组，在尖括号里的对象类型后面跟一对空括号，不能使用点或箭头运算符，可使用下标运算符访问数组中的元素；shared_ptr不能直接管理动态数组，必须提供自己的删除器，并且只能通过get内置指针后进行指针算术运算来访问数组元素
17. allocator类：allocate分配一定大小的原始未构造的内存；deallocate的参数必须是allocate返回的指针和allocate传入的大小；deallocate前调用destroy析构已创建的每个对象，allocate后调用cnostruct构造对象、或调用uninitialized_copy[_n]拷贝对象、或uninitialized_fill[_n]填充未初始化的内存

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