STL入門基礎(chǔ)(全)ppt課件.ppt

1、C+模板與STL庫介紹,(參考北京大學(xué)單棟棟課件),提綱,1. 概論 2. 模板機(jī)制的介紹 3. STL中的基本概念 4. 容器概述 5. 迭代器 6. 算法簡介,概論,C+ 語言的核心優(yōu)勢之一就是便于軟件的重用 C+中有兩個方面體現(xiàn)重用： 1. 面向?qū)ο蟮乃枷耄豪^承和多態(tài)，標(biāo)準(zhǔn)類庫 2. 泛型程序設(shè)計(generic programming) 的思想：模板機(jī)制，以及標(biāo)準(zhǔn)模板庫 STL,這次課的重點,泛型程序設(shè)計,泛型程序設(shè)計，簡單地說就是使用模板的程序設(shè)計法。 將一些常用的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)（比如鏈表，數(shù)組，二叉樹）和算法（比如排序，查找）寫成模板，以后則不論數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)里放的是什么對象，算法針對什么樣的

2、對象，則都不必重新實現(xiàn)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，重新編寫算法。 標(biāo)準(zhǔn)模板庫 (Standard Template Library) 就是一些常用數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)和算法的模板的集合。主要由 Alex Stepanov 開發(fā)，于1998年被添加進(jìn)C+標(biāo)準(zhǔn) 有了STL，不必再從頭寫大多的標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)和算法，并且可獲得非常高的性能。,模板引子,1.假如設(shè)計一個求兩參數(shù)最大值的函數(shù)，在實踐中我們可能需要定義四個函數(shù)： int max ( int a , int b ) return ( a b ) ? a , b ; long max ( long a , long b ) return ( a b ) ? a , b ; d

3、ouble max ( double a , double b ) return ( a b)? a , b ; char max ( char a , char b ) return ( a b ) ? a , b ; 2.這些函數(shù)幾乎相同，唯一的區(qū)別就是形參類型不同 3.需要事先知道有哪些類型會使用這些函數(shù)，對于未知類型這些函數(shù)不起作用,模板的概念,所謂模板是一種使用無類型參數(shù)來產(chǎn)生一系列函數(shù)或類的機(jī)制。 若一個程序的功能是對某種特定的數(shù)據(jù)類型進(jìn)行處理，則可以將所處理的數(shù)據(jù)類型說明為參數(shù)，以便在其他數(shù)據(jù)類型的情況下使用，這就是模板的由來。 模板是以一種完全通用的方法來設(shè)計函數(shù)或類而不必預(yù)先

4、說明將被使用的每個對象的類型。 通過模板可以產(chǎn)生類或函數(shù)的集合，使它們操作不同的數(shù)據(jù)類型，從而避免需要為每一種數(shù)據(jù)類型產(chǎn)生一個單獨的類或函數(shù)。,模板分類,函數(shù)模板(function template) 是獨立于類型的函數(shù) 可產(chǎn)生函數(shù)的特定版本 類模板(class template) 跟類相關(guān)的模板，如vector 可產(chǎn)生類對特定類型的版本，如vector,7,求最大值模板函數(shù)實現(xiàn),1.求兩個數(shù)最大值，使用模板 template T max(T a , T b) return ( a b ) ? a , b; 2.template （模板函數(shù)形參表） /函數(shù)定義體 ,8,模板工作方式,函數(shù)模板只

5、是說明，不能直接執(zhí)行，需要實例化為模板函數(shù)后才能執(zhí)行 在說明了一個函數(shù)模板后，當(dāng)編譯系統(tǒng)發(fā)現(xiàn)有一個對應(yīng)的函數(shù)調(diào)用時，將根據(jù)實參中的類型來確認(rèn)是否匹配函數(shù)模板中對應(yīng)的形參，然后生成一個重載函數(shù)。該重載函數(shù)的定義體與函數(shù)模板的函數(shù)定義體相同，它稱之為模板函數(shù),9,#include template T min(T a,int n) int i; T minv=a0; for( i = 1;i ai) minv=ai; return minv; ,編寫一個對具有n個元素的數(shù)組a 求最小值的程序，要求將求最小值的函數(shù)設(shè)計成函數(shù)模板。,void main() ina a=1,3,0,2,7,6,4,5,

6、2; double b=1.2,-3.4,6.8,9,8; cout”a數(shù)組的最小值為：” min(a,9) endl; cout”b數(shù)組的最小值為：” min(b,4)endl; 此程序的運(yùn)行結(jié)果為： a數(shù)組的最小值為：0 b數(shù)組的最小值為：-3.4,模板優(yōu)缺點,函數(shù)模板方法克服了C語言解決上述問題時用大量不同函數(shù)名表示相似功能的壞習(xí)慣 克服了宏定義不能進(jìn)行參數(shù)類型檢查的弊端 克服了C+函數(shù)重載用相同函數(shù)名字重寫幾個函數(shù)的繁瑣 缺點，調(diào)試比較困難 一般先寫一個特殊版本的函數(shù) 運(yùn)行正確后，改成模板函數(shù),11,STL中的幾個基本概念,容器：可容納各種數(shù)據(jù)類型的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。 迭代器：可依次存取容器中

7、元素的東西 算法：用來操作容器中的元素的函數(shù)模板。例如，STL用sort()來對一個vector中的數(shù)據(jù)進(jìn)行排序，用find()來搜索一個list中的對象。 函數(shù)本身與他們操作的數(shù)據(jù)的結(jié)構(gòu)和類型無關(guān)，因此他們可以在從簡單數(shù)組到高度復(fù)雜容器的任何數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)上使用。 比如，數(shù)組int array100就是個容器，而 int * 類型的指針變量就可以作為迭代器，可以為這個容器編寫一個排序的算法,容器概述,可以用于存放各種類型的數(shù)據(jù)（基本類型的變量，對象等）的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。 容器分為三大類： 1) 順序容器 vector：后部插入/刪除，直接訪問deque：前/后部插入/刪除，直接訪問list：雙向鏈表，任

8、意位置插入/刪除 2)關(guān)聯(lián)容器 set：快速查找，無重復(fù)元素multiset ：快速查找，可有重復(fù)元素map：一對一映射，無重復(fù)元素，基于關(guān)鍵字查找multimap ：一對一映射，可有重復(fù)元素，基于關(guān)鍵字查找 前2者合稱為第一類容器 3)容器適配器 stack：LIFOqueue：FIFOpriority_queue：優(yōu)先級高的元素先出,容器概述,對象被插入容器中時，被插入的是對象的一個復(fù)制品。 許多算法，比如排序，查找，要求對容器中的元素進(jìn)行比較，所以，放入容器的對象所屬的類，還應(yīng)該實現(xiàn) = 和 運(yùn)算符。,順序容器簡介,1) vector 頭文件 實際上就是個動態(tài)數(shù)組。隨機(jī)存取任何元素都能在

9、常數(shù)時間完成。在尾端增刪元素具有較佳的性能。 2) deque 頭文件 也是個動態(tài)數(shù)組，隨機(jī)存取任何元素都能在常數(shù)時間完成(但性能次于vector)。在兩端增刪元素具有較佳的性能。 3) list 頭文件 雙向鏈表，在任何位置增刪元素都能在常數(shù)時間完成。不支持隨機(jī)存取。 上述三種容器稱為順序容器，是因為元素的插入位置同元素的值無關(guān)，只跟插入的時機(jī)有關(guān)。,關(guān)聯(lián)容器簡介,關(guān)聯(lián)式容器內(nèi)的元素是排序的，插入任何元素，都按相應(yīng)的排序準(zhǔn)則來確定其位置。關(guān)聯(lián)式容器的特點是在查找時具有非常好的性能。 1) set/multiset: 頭文件 set 即集合。set中不允許相同元素，multiset中允許存在相

10、同的元素。 2) map/multimap: 頭文件 map與set的不同在于map中存放的是成對的key/value。 并根據(jù)key對元素進(jìn)行排序，可快速地根據(jù)key來檢索元素 map同multimap的不同在于是否允許多個元素有相同的key值。 上述4種容器通常以平衡二叉樹方式實現(xiàn)，插入、查找和刪除的時間都是 O(logN),容器適配器簡介,1) stack :頭文件 棧。是項的有限序列，并滿足序列中被刪除、檢索和修改的項只能是最近插入序列的項。即按照后進(jìn)先出的原則 2) queue :頭文件 隊列。插入只可以在尾部進(jìn)行，刪除、檢索和修改只允許從頭部進(jìn)行。按照先進(jìn)先出的原則。 3）prio

11、rity_queue :頭文件 優(yōu)先級隊列。最高優(yōu)先級元素總是第一個出列,容器的共有成員函數(shù),1) 所有標(biāo)準(zhǔn)庫容器共有的成員函數(shù)： 相當(dāng)于按詞典順序比較兩個容器大小的運(yùn)算符： =, , =, = , != empty : 判斷容器中是否有元素 max_size: 容器中最多能裝多少元素 size: 容器中元素個數(shù) swap: 交換兩個容器的內(nèi)容,比較兩個容器的例子,19,比較兩個容器的例子： #include #include int main() std:vector v1; std:vector v2; v1.push_back (5); v1.push_back (1); v2.push

12、_back (1); v2.push_back (2); v2.push_back (3); std:cout (v1 v2); return 0; ,若兩容器長度相同、所有元素相等，則兩個容器就相等，否則為不等。 若兩容器長度不同，但較短容器中所有元素都等于較長容器中對應(yīng)的元素，則較短容器小于另一個容器 若兩個容器均不是對方的子序列，則取決于所比較的第一個不等的元素,輸出： 0,容器的成員函數(shù),2) 只在第一類容器中的函數(shù)： begin 返回指向容器中第一個元素的迭代器 end 返回指向容器中最后一個元素后面的位置的迭代器 rbegin 返回指向容器中最后一個元素的迭代器 rend 返回指向

13、容器中第一個元素前面的位置的迭代器 erase 從容器中刪除一個或幾個元素 clear 從容器中刪除所有元素,Head,Tail,begin,rbegin,rend,end,迭代器,用于指向第一類容器中的元素。有const 和非 const兩種。 通過迭代器可以讀取它指向的元素，通過非const迭代器還能修改其指向的元素。迭代器用法和指針類似。 定義一個容器類的迭代器的方法可以是： 容器類名:iterator 變量名; 或： 容器類名:const_iterator 變量名; 訪問一個迭代器指向的元素： * 迭代器變量名,迭代器,迭代器上可以執(zhí)行 + 操作, 以指向容器中的下一個元素。如果迭代器

14、到達(dá)了容器中的最后一個元素的后面，則迭代器變成past-the-end值。 使用一個past-the-end值的迭代器來訪問對象是非法的，就好像使用NULL或未初始化的指針一樣。,例如： #include #include using namespace std; int main() vector v; /一個存放int元素的向量，一開始里面沒有元素 v.push_back(1); v.push_back(2); v.push_back(3); v.push_back(4); vector:const_iterator i; /常量迭代器 for( i = v.begin();i != v.

15、end();i + ) cout * i ,; cout endl;,vector:reverse_iterator r; /反向迭代器 for( r = v.rbegin();r != v.rend();r+ ) cout :iterator j; /非常量迭代器 for( j = v.begin();j != v.end();j + ) * j = 100; for( i = v.begin();i != v.end();i+ ) cout * i ,; 輸出結(jié)果： 1,2,3,4, 4,3,2,1, 100,100,100,100,迭代器,不同容器上支持的迭代器功能強(qiáng)弱有所不同。 容器的

16、迭代器的功能強(qiáng)弱，決定了該容器是否支持STL中的某種算法。 例1：只有第一類容器能用迭代器遍歷。 例2：排序算法需要通過隨機(jī)迭代器來訪問容器中的元素，那么有的容器就不支持排序算法。,STL 中的迭代器,STL 中的迭代器按功能由弱到強(qiáng)分為5種： 1. 輸入：Input iterators 提供對數(shù)據(jù)的只讀訪問。 1. 輸出：Output iterators 提供對數(shù)據(jù)的只寫訪問 2. 正向：Forward iterators 提供讀寫操作，并能一次一個地向前推進(jìn)迭代器。 3. 雙向：Bidirectional iterators提供讀寫操作，并能一次一個地向前和向后移動。 4. 隨機(jī)訪問：Ra

17、ndom access iterators提供讀寫操作，并能在數(shù)據(jù)中隨機(jī)移動。 編號大的迭代器擁有編號小的迭代器的所有功能，能當(dāng)作編號小的迭代器使用。,不同迭代器所能進(jìn)行的操作(功能）,所有迭代器： +p, p + 輸入迭代器： * p, p = p1, p = p1 , p!= p1 輸出迭代器： * p, p = p1 正向迭代器： 上面全部 雙向迭代器： 上面全部，-p, p -, 隨機(jī)訪問迭代器： 上面全部，以及： p+= i, p -= i, p + i： 返回指向 p 后面的第i個元素的迭代器 p - i： 返回指向 p 前面的第i個元素的迭代器 pi: p 后面的第i個元素的引用

18、 p p1, p= p1,容器所支持的迭代器類別,容器迭代器類別 vector隨機(jī) deque隨機(jī) list 雙向 set/multiset雙向 map/multimap雙向 stack不支持迭代器 queue不支持迭代器 priority_queue不支持迭代器,例如，vector的迭代器是隨機(jī)迭代器，所以遍歷 vector 可以有以下幾種做法： vector v(100); int i; for(i = 0;i :const_iterator ii; for( ii = v.begin(); ii != v.end ();ii + ) cout * ii; /間隔一個輸出： ii = v.

19、begin(); while( ii v.end() cout * ii; ii = ii + 2; ,而 list 的迭代器是雙向迭代器，所以以下代碼可以： list v; list:const_iterator ii; for( ii = v.begin(); ii ！ v.end ();ii + ) cout * ii; 以下代碼則不行： for( ii = v.begin(); ii v.end ();ii + ) cout * ii; /雙向迭代器不支持 for(int i = 0;i v.size() ; i +) cout vi; /雙向迭代器不支持 ,算法簡介,STL中提供能在

20、各種容器中通用的算法，比如插入，刪除，查找，排序等。大約有70種標(biāo)準(zhǔn)算法。 算法就是一個個函數(shù)模板。 算法通過迭代器來操縱容器中的元素。許多算法需要兩個參數(shù)，一個是起始元素的迭代器，一個是終止元素的后面一個元素的迭代器。比如，排序和查找 有的算法返回一個迭代器。比如 find() 算法，在容器中查找一個元素，并返回一個指向該元素的迭代器。 算法可以處理容器，也可以處理C語言的數(shù)組,算法分類,變化序列算法 copy ,remove,fill,replace,random_shuffle,swap, . 會改變?nèi)萜?非變化序列算法： adjacent-find, equal, mismatch,f

21、ind ,count, search, count_if, for_each, search_n 以上函數(shù)模板都在 中定義 此外還有其他算法，比如中的算法,算法示例：find(),template InIt find(InIt first, InIt last, const T first 和 last 這兩個參數(shù)都是容器的迭代器，它們給出了容器中的查找區(qū)間起點和終點。 這個區(qū)間是個左閉右開的區(qū)間，即區(qū)間的起點是位于查找范圍之中的，而終點不是 val參數(shù)是要查找的元素的值 函數(shù)返回值是一個迭代器。如果找到，則該迭代器指向被找到的元素。如果找不到，則該迭代器指向查找區(qū)間終點。,#include

22、#include #include using namespace std; int main() int array10 = 10,20,30,40; vector v; v.push_back(1);v.push_back(2); v.push_back(3);v.push_back(4); vector:iterator p; p = find(v.begin(),v.end(),3); if( p != v.end() cout * p endl;,p = find(v.begin(),v.end(),9); if( p = v.end() cout not found endl; p

23、 = find(v.begin()+1,v.end()-2,1); if( p != v.end() cout * p endl; int * pp = find( array,array+4,20); cout * pp endl; 輸出： 3 not found 3 20,順序容器,除前述共同操作外，順序容器還有以下共同操作： front() :返回容器中第一個元素的引用 back() : 返回容器中最后一個元素的引用 push_back(): 在容器末尾增加新元素 pop_back(): 刪除容器末尾的元素,vector,支持隨機(jī)訪問迭代器，所有STL算法都能對vector操作。 隨機(jī)訪

24、問時間為常數(shù)。在尾部添加速度很快，在中間插入慢。實際上就是動態(tài)數(shù)組。,例1： int main() int i; int a5 = 1,2,3,4,5 ; vector v(5); cout v2(a,a+5); /構(gòu)造函數(shù) v2.insert( v2.begin() + 2, 13 ); /在begin()+2位置插入 13 for( i = 0;i v2.size();i + ) cout v2i , ; return 0; ,輸出： 5 0,1,2,3,100, 1,2,13,3,4,5,例2： int main() const int SIZE = 5; int aSIZE = 1,2

25、,3,4,5 ; vector v (a,a+5); /構(gòu)造函數(shù) try v.at(100) = 7; catch( out_of_range e) cout output(cout ,“*); copy (v.begin(),v.end(),output); v.erase( v.begin(),v.end(); /等效于 v.clear();,if( v.empty () cout subscript 1,5 2*3*4*5*empty 1*2*3*4*5*,算法解釋,ostream_iterator output(cout ,“*); 定義了一個 ostream_iterator 對象，

26、可以通過cout輸出以 * 分隔的一個個整數(shù) copy (v.begin(),v.end(),output); 導(dǎo)致v的內(nèi)容在 cout上輸出 copy 函數(shù)模板(算法）： template OutIt copy(InIt first, InIt last, OutIt x); 本函數(shù)對每個在區(qū)間0, last - first)中的N執(zhí)行一次 *(x+N) = * ( first + N) ，返回 x + N 對于copy (v.begin(),v.end(),output); first 和 last 的類型是 vector:const_iterator output 的類型是 ostrea

27、m_iterator,list 容器,在任何位置插入刪除都是常數(shù)時間，不支持隨機(jī)存取。除了具有所有順序容器都有的成員函數(shù)以外，還支持8個成員函數(shù)： push_front: 在前面插入 pop_front: 刪除前面的元素 sort: 排序( list 不支持STL 的算法sort) remove: 刪除和指定值相等的所有元素 unique: 刪除所有和前一個元素相同的元素 merge: 合并兩個鏈表，并清空被合并的那個 reverse: 顛倒鏈表 splice: 在指定位置前面插入另一鏈表中的一個或多個元素,并在另一鏈表中刪除被插入的元素,deque 容器,所有適用于vector的操作都適用于

28、deque deque還有push_front（將元素插入到前面）和pop_front(刪除最前面的元素）操作,45,關(guān)聯(lián)容器,set, multiset, map, multimap 內(nèi)部元素有序排列，新元素插入的位置取決于它的值，查找速度快 map關(guān)聯(lián)數(shù)組：元素通過鍵來存儲和讀取 set大小可變的集合，支持通過鍵實現(xiàn)的快速讀取 multimap支持同一個鍵多次出現(xiàn)的map類型 multiset支持同一個鍵多次出現(xiàn)的set類型 與順序容器的本質(zhì)區(qū)別 關(guān)聯(lián)容器是通過鍵(key)存儲和讀取元素的 而順序容器則通過元素在容器中的位置順序存儲和訪問元素。,46,關(guān)聯(lián)容器,除了各容器都有的函數(shù)外，還支

29、持以下成員函數(shù)：設(shè)m表容器，k表鍵值 m.find(k) ：如果容器中存在鍵為k的元素，則返回指向該元素的迭代器。如果不存在，則返回end()值。 m.lower_bound(k)：返回一個迭代器，指向鍵不小于k的第一個元素 m.upper_bound(k)：返回一個迭代器，指向鍵大于k的第一個元素 m.count(k) ：返回m中k的出現(xiàn)次數(shù) 插入元素用 insert,47,set,template, class A = allocator class set 插入set中已有的元素時，插入不成功。,48,pair模板,pair模板類用來綁定兩個對象為一個新的對象，該類型在頭文件中定義。 p

30、air模板類支持如下操作： pair p1：創(chuàng)建一個空的pair對象，它的兩個元素分別是T1和T2類型，采用值初始化 pair p1(v1, v2)：創(chuàng)建一個pair對象，它的兩個元素分別是T1和T2類型，其中first成員初始化為v1，second成員初始化為v2 make_pair(v1, v2)：以v1和v2值創(chuàng)建一個新的pair對象，其元素類型分別是v1和v2的類型 p1 p2字典次序：如果p1.firstp2.first或者!(p2.first p1.first) int main() typedef set double_set; const int SIZE = 5; doubl

31、e aSIZE = 2.1,4.2,9.5,2.1,3.7 ; double_set doubleSet(a,a+SIZE); ostream_iterator output(cout, ); cout p; p = doubleSet.insert(9.5); if( p.second ) cout 2) * (p.first) inserted endl; else cout 2) * (p.first) not inserted endl; return 0; ,insert函數(shù)返回值是一個pair對象, 其first是被插入元素的迭代器，second代表是否成功插入了,輸出： 1) 2

32、.1 3.7 4.2 9.5 2) 9.5 not inserted,51,multimap,template, class A = allocator class multimap . typedef pair value_type; . ; /Key 代表關(guān)鍵字 multimap中的元素由 組成，每個元素是一個pair對象。multimap 中允許多個元素的關(guān)鍵字相同。元素按照關(guān)鍵字升序排列，缺省情況下用 less 定義關(guān)鍵字的“小于”關(guān)系,52,map,template, class A = allocator class map . typedef pair value_type; .

33、 ; map 中的元素關(guān)鍵字各不相同。元素按照關(guān)鍵字升序排列，缺省情況下用 less 定義“小于”,53,map,可以用pairskey 訪形式問map中的元素。 pairs 為map容器名，key為關(guān)鍵字的值。 該表達(dá)式返回的是對關(guān)鍵值為key的元素的值的引用。 如果沒有關(guān)鍵字為key的元素，則會往pairs里插入一個關(guān)鍵字為key的元素，并返回其值的引用 如： map pairs; 則 pairs50 = 5; 會修改pairs中關(guān)鍵字為50的元素，使其值變成5,#include #include using namespace std; ostream ,mmid:iterator i;

34、 cout 3) ; for( i = pairs.begin(); i != pairs.end();i + ) cout * i ,; cout endl; cout 4) ; int n = pairs40;/如果沒有關(guān)鍵字為40的元素，則插入一個 for( i = pairs.begin(); i != pairs.end();i + ) cout * i ,; cout endl; cout 5) ; pairs15 = 6.28; /把關(guān)鍵字為15的元素值改成6.28 for( i = pairs.begin(); i != pairs.end();i + ) cout * i ,

35、; return 0; ,輸出： 1) 0 2) 1 3) (15,2.7),(20,9.3), 4) (15,2.7),(20,9.3),(40,0), 5) (15,6.28),(20,9.3),(40,0),57,思考題,如何用程序用來統(tǒng)計一篇英文文章中單詞出現(xiàn)的頻率（為簡單起見，假定依次從鍵盤輸入該文章） #include #include using namespace std;int main() map wordCount;string word;while (cin word)+wordCountword;for (map:iterator it = wordCount.beg

36、in(); it != wordCount.end(); +it)coutWord: (*it).first tCount: (*it).secondendl;return 0;,58,容器適配器:stack,可用 vector, list, deque來實現(xiàn) 缺省情況下，用deque實現(xiàn) 用 vector和deque實現(xiàn)，比用list實現(xiàn)性能好 template class stack . ; stack 是后進(jìn)先出的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，只能插入、刪除、訪問棧頂?shù)脑?59,容器適配器:stack,stack 上可以進(jìn)行以下操作： push: 插入元素 pop:彈出元素 top:返回棧頂元素的引用,60,容器適配器: queue,和stack 基本類似，可以用 list和deque實現(xiàn)，缺省情況下用deque實現(xiàn) template class queu