C++ STL 学习指南：带你快速掌握标准模板库
C++ STL 学习指南：带你快速掌握标准模板库
C++ STL（标准模板库）是C++程序员的必备工具，它提供了丰富的容器、算法和迭代器，能够帮助开发者更高效地完成编程任务。本文将带你快速掌握STL的核心概念和使用方法，通过具体的代码示例和应用场景，帮助你更好地理解和应用STL。
什么是 STL？
STL 是 C++ 的标准库之一，包含了一系列模板类和函数模板，主要用于提供通用的数据结构和算法。简单来说，STL 就是帮你解决“重复造轮子”的问题，让你更专注于实现逻辑，而不是耗费时间在基础数据结构的实现上。
STL 包含了三个核心组件：
- 容器（Containers）：用于存储数据的集合，比如
vector、list、map等。 - 算法（Algorithms）：常用算法的集合，比如排序、查找、遍历等。
- 迭代器（Iterators）：连接容器与算法的“桥梁”，用于遍历容器内的元素。
接下来，我们将依次了解这些组件，看看 STL 是如何让编程变得更轻松的！
一、容器（Containers）：你的数据储物箱
容器是 STL 的核心部分，提供了多种数据存储结构。每种容器都有各自的特点和适用场景，以下是一些常见的容器：
1. vector：动态数组
vector是一种动态数组，可以根据需要自动扩展容量。它的特点是支持随机访问，并且在末尾添加和删除元素的效率很高。
vector的实战案例
#include <iostream>
#include <vector>
int main() {
std::vector<int> vec = {1, 2, 3};
vec.push_back(4); // 在末尾添加元素
vec.push_back(5);
vec[1] = 10; // 修改第二个元素
for (int num : vec) {
std::cout << num << " ";
}
return 0;
}
适用场景：当你需要频繁读取某个位置的元素时，vector是首选！
注意事项：vector的扩容是成倍增长的，因此它有时会多分配一些内存来应对未来的增长。如果能提前知道数据量的大小，最好使用reserve()减少扩容带来的性能开销。
2. list：双向链表
list是双向链表，适合在任意位置进行插入和删除操作。与vector不同的是，它不支持随机访问，因此访问某个特定位置的元素效率较低。
list的妙用
#include <list>
#include <iostream>
int main() {
std::list<int> lst = {1, 2, 3};
lst.push_front(0); // 在开头添加元素
lst.push_back(4); // 在末尾添加元素
lst.insert(++lst.begin(), 100); // 在第二个位置插入 100
for (int num : lst) {
std::cout << num << " ";
}
return 0;
}
适用场景：如果你的程序需要频繁插入和删除元素，而对随机访问的需求不高，list会是更好的选择！
实际体验：在某些情况下，使用list进行插入操作的代码比vector更加简洁和高效，尤其是在需要频繁的插入和删除操作时。
3. map：键值对存储
map是一种关联容器，基于红黑树实现，可以用来存储键值对（key-value）。map自动对键进行排序，并且不允许键重复。
使用map进行数据统计
#include <map>
#include <iostream>
int main() {
std::map<std::string, int> ages;
ages["Alice"] = 25;
ages["Bob"] = 30;
ages["Charlie"] = 22;
// 输出所有人的年龄
for (const auto& pair : ages) {
std::cout << pair.first << ": " << pair.second << "\n";
}
return 0;
}
适用场景：当你需要根据键快速查找对应值时，map是一个非常方便的选择！
个人经验分享：如果你的程序需要频繁修改数据，可以选择unordered_map，它的查找效率更高，但不保证有序性。
4. unordered_map：哈希表
unordered_map类似于map，但是它使用哈希表实现，因此查找速度在平均情况下更快。它不保证元素的顺序。
使用unordered_map的小窍门：unordered_map使用的是哈希函数，因此如果你的键是自定义类型，请记得实现适当的哈希函数，否则可能会出现编译错误。
5. stack和queue：方便的数据处理
stack和queue是两种特殊的容器适配器，分别实现了后进先出（LIFO）和先进先出（FIFO）的数据处理模式。
示例代码：
#include <stack>
#include <queue>
#include <iostream>
int main() {
std::stack<int> stk;
stk.push(1);
stk.push(2);
stk.push(3);
while (!stk.empty()) {
std::cout << stk.top() << " ";
stk.pop();
}
std::queue<int> que;
que.push(1);
que.push(2);
que.push(3);
while (!que.empty()) {
std::cout << que.front() << " ";
que.pop();
}
return 0;
}
适用场景：stack适用于需要处理递归或回退逻辑的场景，而queue适用于按顺序处理数据的情况，例如任务排队。
二、算法（Algorithms）：高效的代码助推器
STL 的算法库提供了丰富的工具，使得编程变得更加简单。你可以使用这些算法来处理容器中的数据，而不用重复编写类似的逻辑代码。
1. 排序与查找：sort和find
sort()：可以轻松对容器进行排序。find()：在容器中查找指定元素。
示例代码：
#include <vector>
#include <algorithm>
#include <iostream>
int main() {
std::vector<int> vec = {5, 2, 9, 1, 5, 6};
std::sort(vec.begin(), vec.end()); // 排序
auto it = std::find(vec.begin(), vec.end(), 9); // 查找
if (it != vec.end()) {
std::cout << "Found: " << *it << "\n";
} else {
std::cout << "Not found\n";
}
return 0;
}
亲身体验：使用 STL 的算法库，可以让你把更多精力放在业务逻辑上，而不是实现底层算法，这就是 STL 的魅力所在。
2. 统计与累加：count和accumulate
count()：统计某个元素在容器中出现的次数。accumulate()：累加容器中的元素。
#include <vector>
#include <numeric> // 包含 accumulate
#include <algorithm>
#include <iostream>
int main() {
std::vector<int> vec = {1, 2, 3, 4, 3, 2, 3};
int count3 = std::count(vec.begin(), vec.end(), 3); // 统计3的数量
int sum = std::accumulate(vec.begin(), vec.end(), 0); // 求和
std::cout << "Number of 3s: " << count3 << "\n";
std::cout << "Sum: " << sum << "\n";
return 0;
}
3. 自定义操作：for_each函数
for_each函数可以帮助你对容器中的每个元素进行自定义操作，比如打印每个元素、改变它们的值等等。
#include <vector>
#include <algorithm>
#include <iostream>
int main() {
std::vector<int> vec = {1, 2, 3, 4, 5};
std::for_each(vec.begin(), vec.end(), [](int& num) {
num *= 2; // 将每个元素乘以2
std::cout << num << " ";
});
return 0;
}
应用场景：如果你有特定的逻辑想要应用到容器中的每个元素，for_each非常好用，可以用Lambda表达式让代码更加简洁。
三、迭代器（Iterators）：容器与算法的桥梁
迭代器是 STL 的精髓，它让你可以方便地遍历容器中的元素，同时与 STL 的算法进行无缝配合。
迭代器的种类
- 输入迭代器（Input Iterator）：只读。
- 输出迭代器（Output Iterator）：只写。
- 前向迭代器（Forward Iterator）：可读写，可向前遍历。
- 双向迭代器（Bidirectional Iterator）：可向前和向后遍历。
- 随机访问迭代器（Random Access Iterator）：支持随机访问，类似指针。
迭代器的实际应用
#include <vector>
#include <iostream>
int main() {
std::vector<int> vec = {1, 2, 3, 4, 5};
// 使用正向迭代器
for (auto it = vec.begin(); it != vec.end(); ++it) {
std::cout << *it << " ";
}
std::cout << "\n";
// 使用反向迭代器
for (auto rit = vec.rbegin(); rit != vec.rend(); ++rit) {
std::cout << *rit << " ";
}
return 0;
}
经验分享：通过熟练掌握迭代器，你可以实现对各种容器的灵活操作，使代码更加优雅、简洁。迭代器甚至可以用来实现自定义算法，非常强大！
四、总结：STL 的使用技巧
在日常开发中，合理使用 STL 可以大幅提升代码的效率和简洁性。以下是一些 STL 使用的小技巧：
- 选择合适的容器：根据需求选择合适的容器，比如频繁访问使用
vector，频繁插入删除使用list，键值对查找使用map。 - 使用算法库：STL 中的算法库包含了常用的排序、查找、计算等函数，避免重复造轮子！
- 掌握迭代器：迭代器是 STL 的精髓，熟练掌握迭代器可以使你的代码更灵活、更高效。
- 预分配容量：对于
vector，如果可以预知数据量，使用reserve()预分配容量可以减少扩容带来的性能损耗。 - 注意迭代器失效：某些操作（如在
vector中插入或删除元素）会导致迭代器失效，务必小心处理。
希望通过这篇文章，大家对 C++ 的 STL 有了一个初步了解！🎉 STL 是 C++ 中非常强大的一部分，如果你能熟练使用 STL，将会让你的编程效率提升一大步！🚀