C++库知识点整理

本文是对我学到过的所有C++的库的知识点整理，对自己来说也算是复习一遍

1.vector:C++ vector是STL中最常用的动态连续数组容器，底层基于连续内存实现，核心特性为支持O(1)随机访问，尾部插入/删除无扩容时效率为O(1)，头部/中间插入/删除因需移动元素效率为O(n)；核心函数需注意易混点：无pop()/top()/bottom()（这是stack的函数），正确操作包括push_back(元素)（尾部插入）、emplace_back(参数)（C++11新增，直接在尾部构造元素，自定义类型比push_back更高效）、pop_back()（尾部删除，无返回值），访问元素可用[]下标（无越界检查，刷题常用）、at(下标)（有越界检查，刷题少用）、front()（首元素）、back()（尾元素）、data()（返回底层数组指针）；容量控制相关函数有size()（已存元素数）、capacity()（当前内存容量）、reserve(n)（提前预留n个元素的内存空间，刷题时预估元素数量后调用可避免频繁扩容，大幅提升push_back效率）、resize(n, 初始值)（调整元素数量，超出部分填充初始值）、clear()（清空元素，不释放内存，容量不变）；效率优化技巧（适配LeetCode）：① 刷题时预估结果长度先调用reserve(n)，从根源避免扩容带来的元素拷贝开销；② 存储自定义类型（如结构体、字符串）时优先用emplace_back替代push_back，减少拷贝/移动开销；③ 遍历大vector时提前缓存size()结果（如int n = vec.size()），避免循环中重复调用；④ 避免不必要的clear()后重新push_back，clear()仅清空元素不释放内存，如需释放内存可使用vector().swap(vec)；⑤ 随机访问优先用下标[]，比迭代器遍历略高效；初始化技巧：可直接vector vec(n, 0)（初始化n个值为0的元素）、vector vec(arr, arr + sizeof(arr)/sizeof(int))（从数组初始化）、vector vec2 = std::move(vec)（移动语义，无拷贝，效率极高）。

2.cmath：就是数学库，提供各种数学函数啥的，比如abs（），pow（）等等

3.string：C++的string（头文件<string>）是STL中管理字符串的核心容器，底层基于动态字符数组实现，核心特性为支持动态扩容、自动管理内存（无需手动释放）、O(1)随机访问，且兼容C风格字符串（可通过c_str()/data()转换为const char*），能避免手动处理字符数组的越界/内存泄漏问题；核心操作覆盖刷题/内核开发高频场景：初始化支持string s1（空串）、string s2("abc")（字面量）、string s3(5, 'a')（重复字符）、string s4 = s2.substr(1,2)（截取子串，索引1开始、长度2）；拼接/追加用s1 += "def"（尾部追加，效率高）、s1.append("ghi")（批量追加）；修改可通过[]下标直接赋值（如s[0] = 'A'，无越界检查）或at(0)（有越界检查，刷题少用）；查找/替换用s.find("bc")（返回首次匹配的索引，无匹配则返回string::npos）、s.replace(1,2,"xy")（从索引1开始替换2个字符为"xy"）；比较支持直接用==/!=/>/<（按ASCII码逐字符比较），也可调用compare()函数；其他实用操作包括size()/length()（获取长度，等价）、empty()（判断空串）、erase(1,2)（删除索引1开始的2个字符）、insert(1, "mn")（在索引1插入"mn"）；关键避坑点：① substr(pos, len)中pos不能越界，len超出剩余长度则截取到串尾；② 查找操作需判断返回值是否为string::npos（而非-1，因其是无符号类型）；③ 拼接大量字符串时，优先用+=而非多次+（减少临时对象拷贝），内核开发中处理协议包/SQL语句时，可提前用reserve()预留空间提升效率；④ 转换C风格字符串时，c_str()/data()返回的const char*仅在string未修改前有效，修改string后指针可能失效。

4.algorithm：C++的<algorithm>头文件是STL核心算法库，封装了数百种通用的容器操作算法，无需手动实现排序、查找、遍历、修改等基础逻辑，适配vector、string、array等所有支持迭代器的容器，是刷题/内核开发中提升效率的关键工具；核心特性为算法与容器解耦（通过迭代器操作）、支持自定义谓词（lambda/函数指针），所有算法均基于模板实现，适配不同数据类型；高频实用算法（贴合刷题/开发场景）：① 排序类：sort(vec.begin(), vec.end())（快速排序，默认升序，可传lambda自定义规则如sort(vec.begin(), vec.end(), greater<int>())降序）、stable_sort（稳定排序，保留相等元素相对位置）；② 查找类：find(vec.begin(), vec.end(), 5)（查找元素5，返回迭代器，未找到则返回end()）、binary_search(vec.begin(), vec.end(), 5)（二分查找，要求容器已排序，返回bool）、lower_bound/upper_bound（有序容器中找首个≥/＞目标值的迭代器，刷题找边界高频）；③ 遍历/修改类：for_each(vec.begin(), vec.end(), [](int x){cout<<x;})（遍历执行自定义操作）、transform(vec1.begin(), vec1.end(), vec2.begin(), [](int x){return x*2;})（将vec1元素转换后存入vec2）、replace(vec.begin(), vec.end(), 5, 0)（将所有5替换为0）；④ 集合操作类：unique(vec.begin(), vec.end())（去重，需先排序，返回去重后尾迭代器）、merge(v1.begin(),v1.end(),v2.begin(),v2.end(),res.begin())（合并两个有序容器到res）、reverse(vec.begin(), vec.end())（反转容器元素）；⑤ 最值/计数类：max_element/min_element（返回最大/最小元素迭代器）、count(vec.begin(), vec.end(), 5)（统计元素5出现次数）；关键避坑点：① 二分查找类算法（binary_search/lower_bound）仅对已排序容器有效，否则结果不可靠；② unique仅“移除”连续重复元素，需配合erase删除尾部无效元素（如vec.erase(unique(vec.begin(),vec.end()), vec.end())）；③ 算法操作的是迭代器，不会自动扩容容器（如merge前需确保res有足够空间）；④ 自定义谓词需保证逻辑一致（如sort的比较函数需满足严格弱序），否则可能触发未定义行为。

5.unordered_map 是 C++ 中基于哈希表实现的无序键值对容器，可理解为 “无排序的字典”：键（key）唯一、值（value）可重复，通过键能以平均 O (1) 的极快速度查找 / 插入 / 删除值，这是它相比红黑树实现的有序 map 最核心的优势；但它内部元素无序、内存占用更高，且键需支持哈希函数与判等操作；常用场景包括快速统计元素频率、键值快速映射（如学号 - 姓名）、无顺序要求的缓存 / 字典等，核心用法有[]赋值、find()查找（避免键不存在时自动插入）、erase()删除、遍历键值对等。

6.set：就是集合，不怎么常用啊

7.stack（栈）:是 C++ 中遵循 “先进后出（FILO）” 规则的适配器容器，可理解为 “竖直的弹夹 / 装盘桶”，仅能对栈顶进行操作；核心常用函数并非push_back（该函数属于 vector/deque），正确的是push()（向栈顶添加元素）、pop()（删除栈顶元素，无返回值）、top()（获取栈顶元素，需先判空避免越界），此外还有empty()（判断栈是否为空）、size()（获取栈内元素个数）；它常用于括号匹配、逆序处理、深度优先搜索（DFS）、表达式求值等场景，使用时需注意调用top()/pop()前务必用empty()检查栈是否为空，防止访问空栈报错。

8.atomic（原子库）:是 C++ 用于并行 / 多线程编程的核心工具，可理解为 “不可被打断的操作”：针对变量的读、写、自增 / 自减等操作能一次性完成，不会被其他线程干扰，相比传统加锁（如 mutex）更轻量、效率更高；它解决了多线程对共享变量操作时的 “数据竞争” 问题（比如多个线程同时修改一个计数器导致结果错误），常用用法如atomic cnt(0); cnt++（原子自增）、cnt.load()（原子读）、cnt.store(5)（原子写）；适用场景为多线程下简单的共享变量操作（如计数器、标志位），复杂场景仍需搭配锁使用，核心优势是无锁开销、避免死锁风险，且操作保证 “原子性” 不会被中断。

9.thread :是 C++11 及以上标准提供的线程库，是创建和管理线程的核心工具，可直接在代码中开启多线程并行执行任务；核心用法为std::thread 线程名(函数名, 函数参数)（创建线程并立即执行），需注意调用join()（等待线程执行完毕，主线程阻塞）或detach()（分离线程，主线程不等待，线程后台运行），否则程序会崩溃；常用配套操作有joinable()（判断线程是否可等待）、get_id()（获取线程 ID），多线程共享数据时需配合mutex（互斥锁）或atomic（原子操作）避免数据竞争；使用时需包含头文件，核心优势是原生支持跨平台，无需依赖第三方库，是 C++ 并行编程的基础。

10.mutex（互斥锁）:是 C++ 多线程编程中解决 “数据竞争” 的核心工具，可理解为 “共享资源的一把锁”：当一个线程访问共享变量 / 资源时，调用lock()上锁，其他线程会被阻塞直到该线程调用unlock()解锁，保证同一时间只有一个线程能操作共享资源；推荐搭配std::lock_guard（自动上锁 / 解锁，避免忘记 unlock 导致死锁）或std::unique_lock（更灵活的锁管理）使用，需包含头文件；核心适用场景是多线程读写共享数据（如全局变量、共享容器），但需注意避免锁粒度过大（影响效率）或嵌套锁（易引发死锁），是保障多线程数据安全的基础手段。

11.regex:正则表达式，很常用，用来处理数据或者查询字符的

12.format：是 C++20 引入的新一代字符串格式化工具，可理解为 “更强大、更安全的 printf 升级版”：支持类似 Python f-string 的占位符语法（如std::format("姓名：{}，年龄：{}", name, age)），能自动匹配变量类型，避免 printf 的格式符与类型不匹配问题；支持位置参数（{1} {0}）、格式控制（如保留 2 位小数{:.2f}），且类型安全、可读性远高于拼接字符串或 sprintf；需包含头文件（部分编译器需开启 C++20 支持）；核心优势是兼顾易用性与安全性，相比传统方式，既避免了字符串拼接的繁琐，又解决了 printf 的类型错误风险，是 C++ 中格式化字符串的首选方案

13.iostream ：是 C++ 最基础、最常用的输入输出库，核心用于程序与外部设备（如键盘、屏幕）的交互，需包含头文件；其中std::cin（输入流）搭配>>运算符从键盘读取数据（如cin >> num），std::cout（输出流）搭配<<运算符向屏幕输出数据（如cout << "结果：" << num），补充常用操作：endl用于换行并刷新缓冲区（cout << "hello" << endl），cin.get()可读取空格 / 换行等空白字符（解决cin >>跳过空白的问题）；核心特点是类型安全（无需像 printf 指定格式）、用法简洁，是 C++ 程序输入输出的基础，需注意区分cin和cout的运算符方向（cin >>是 “数据流入程序”，cout <<是 “数据流出程序”）。

14.variant ：是 C++17 引入的类型安全的 “联合体（union）升级版”，可理解为 “能存储多种类型但同一时间仅存一种的容器”：比如variant<int, string, double>可存储整数、字符串或浮点数，但任一时刻只有一个值有效；核心用法包括std::get<类型/索引>()获取值（如get(v)）、std::holds_alternative<类型>()判断存储的类型（避免 get 出错）、index()返回当前存储类型的索引；相比传统 union，variant 类型安全（不会因类型错误导致未定义行为）、支持非 POD 类型（如 string），无需手动管理内存；核心适用场景是需要存储 “多种可选类型” 的场景（如配置项值、函数多类型返回值），替代繁琐的类型判断和强制转换。

15.module：就是把一个class封装成一个模块，传统的include头文件效率太差，都是把外部库复制粘贴进来然后编译，占用了很大的空间。