C++标准模板库(STL)

前言

这里只是简单列出C++标准模板库(STL)

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一、概述

标准模板库(STL)是C++标准库的核心组成部分，提供了一套通用、高效的模板类和函数。STL基于泛型编程思想，包含容器(Containers)、**算法(Algorithms)和迭代器(Iterators)**三大核心组件，以及函数对象(Functors)、适配器(Adapters)和分配器(Allocators)等辅助组件。

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二、核心组件详解

2.1 容器(Containers)

2.1.1 序列式容器

容器	特性	典型操作
vector	动态数组，随机访问快	push_back, emplace_back
deque	双端队列，头尾插入高效	push_front, pop_back
list	双向链表	splice, merge
forward_list	单向链表(C++11)	insert_after
array	固定大小数组(C++11)	fill, size

vector<int> v = {1,2,3};
v.push_back(4);  // O(1)摊销
sort(v.begin(), v.end());

2.1.2 关联式容器

容器	特性	底层实现
set	唯一键集合，自动排序	红黑树
multiset	允许重复键的集合	红黑树
map	键值对映射	红黑树
multimap	允许重复键的映射	红黑树

map<string, int> m = {{"Alice", 25}, {"Bob", 30}};
m["Charlie"] = 28;  // O(log n)

2.1.3 无序关联容器(C++11)

容器	特性	底层实现
unordered_set	哈希集合	哈希表
unordered_map	哈希映射	哈希表
unordered_multiset	可重复哈希集合	哈希表
unordered_multimap	可重复哈希映射	哈希表

unordered_map<string, int> um = {{"apple", 5}, {"banana", 3}};
cout << um.at("apple");  // O(1)平均

2.2 迭代器(Iterators)

2.2.1 迭代器类别

类型	支持操作	对应容器示例
输入迭代器	只读，单遍扫描	istream_iterator
输出迭代器	只写，单遍扫描	ostream_iterator
前向迭代器	读写，多遍扫描	forward_list
双向迭代器	可双向移动	list, set
随机访问迭代器	支持算术运算	vector, deque

vector<int>::iterator it = v.begin();
advance(it, 2);  // 移动迭代器

2.3 算法(Algorithms)

2.3.1 常用算法分类

分类	示例算法	说明
非修改序列	find, count, for_each	不改变容器内容
修改序列	copy, replace, remove	可能改变容器内容
排序相关	sort, partial_sort	各种排序操作
数值运算	accumulate, inner_product	数学计算

vector<int> v = {5,3,1,4,2};
sort(v.begin(), v.end());  // 默认升序
reverse(v.begin(), v.end());

2.4 函数对象(Functors)与Lambda(C++11)

// 函数对象
struct Compare {
    bool operator()(int a, int b) const {
        return a > b;  // 降序比较
    }
};
sort(v.begin(), v.end(), Compare());

// Lambda表达式
sort(v.begin(), v.end(), [](int a, int b) {
    return a < b;  // 升序
});

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三、实用组件

3.1 适配器(Adapters)

3.1.1 容器适配器

stack<int> s;       // 默认基于deque
queue<double> q;    // 默认基于deque
priority_queue<int> pq;  // 默认基于vector

3.1.2 迭代器适配器

vector<int> v = {1,2,3};
reverse_iterator<vector<int>::iterator> rit(v.end());
cout << *rit;  // 输出3

3.2 智能指针(C++11/14)

unique_ptr<int> up(new int(5));  // 独占所有权
shared_ptr<int> sp = make_shared<int>(10);  // 共享所有权
weak_ptr<int> wp = sp;  // 弱引用

3.3 元组(C++11)与可选值(C++17)

tuple<string, int, double> t("Alice", 25, 3.8);
auto [name, age, gpa] = t;  // 结构化绑定(C++17)

optional<int> findValue(...) {  // 可能无返回值
    if (...) return 42;
    return nullopt;
}

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四、现代C++特性

4.1 移动语义优化(C++11)

vector<string> createStrings() {
    vector<string> v;
    v.push_back("large string");
    return v;  // 触发移动构造而非拷贝
}

4.2 并行算法(C++17)

vector<int> bigData(1000000);
sort(execution::par, bigData.begin(), bigData.end());  // 并行排序

4.3 范围库(C++20)

vector<int> v = {5,3,2,4,1};
auto even = v | views::filter([](int x){ return x%2==0; });
ranges::sort(v);  // 更简洁的语法

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五、总结与最佳实践

5.1 STL优势

1. 通用性：模板支持任意符合要求的类型
2. 高效性：经过高度优化的实现
3. 可扩展性：可与自定义组件无缝集成

5.2 使用建议

1. 优先选择STL而非原始数组
2. 根据场景选择合适的容器：
   • 随机访问：vector/array
   • 频繁插入删除：list/forward_list
   • 快速查找：set/map或无序容器
3. 使用emplace操作避免临时对象
4. 注意迭代器失效问题
5. 利用算法替代手写循环
6. 现代C++中优先使用智能指针管理资源

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