[知识点] 1.3.1 STL简介

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前言

鉴于最近不少次都要用到 map 我却总是出各种 bug，于是决定写一篇总结来巩固一下。

这篇文章虽名为 STL 容器之 map，但其实包含了整个 STL 及其容器的概念与用途，以及诸如vector, set 等基本容器的许多常规操作，可以作为一篇 STL 容器的总领性文章。

然后，现在完全改成一篇介绍 STL 容器及算法简介的文章辣！这样整个 STL 部分就显得更成体系了。

更新记录

UPDATE - 20200421：将原有介绍 map 的部分后移，这篇文章主要是对 STL 容器和算法的一些简要介绍。

UPDATE(20190416)：写完vector和set之后，发现不少内容全部引导到map上了……于是进行了一定的描述补充与更正。

子目录列表

1、什么是 STL

2、STL 容器

3、STL 算法

 

1.3.1 STL 简介

1、什么是 STL

STL 全称 Standard Template Library，中文名标准模板库，目的是标准化组件，属于 C++ 语言的一部分，所以并不用额外安装其他东西。其被组织为如下 13 个头文件：

<algorithm>, <deque>, <functional>, <iterator>, <vector>, <list>, <map>, <memory.h>, <numeric>, <queue>, <set>, <stack>, <utility>

STL 可分为六大部分：容器 (containers), 迭代器 (iterators), 空间配置器 (allocator), 配接器 (adapters), 算法 (algorithms), 仿函数 (functors)，本文主要介绍容器和算法。

 

2、STL 容器

STL 容器本质是一些常用的数据结构的模板，简化操作。容器分为如下几种，并列出几种最常用的：

① 序列式容器

> vector 向量：动态顺序表，可从后端增加元素；

> list 列表：可双向遍历的链表；

还有：deque 双端队列；array 数组；forward_list 单向列表。

② 关联式容器

> set 集合：有序存储互异（无相同）元素；

> map 映射：由 {key 键, value 值} 对组成的集合，key 互异；

还有：multiset 多重集合，multimap 多重映射。

③ 容器适配器

本质并不是容器，没有迭代器等其他容器具备的特点。

> stack 栈：LIFO；

> queue 队列：FIFO；

（关于栈与队列的介绍，请参见 7.1 栈，队列与链表）

> priority_queue 优先队列（堆）：以某种关系决定次序的队列。

它们的声明形式是一样的：

容器类型名 <变量类型名, ...> 容器名

如：

map <int, string> a;

priority_queue <double> q;

关于所有容器的共有函数请参见：<施工中>

 

3、STL 迭代器

迭代器（iterator）适用于访问或检查 STL 容器内元素的对象，类似于指针，但封装性更好，访问格式也是统一的。

这里不单独介绍，使用方法参见：<施工中>

 

4、STL 算法

STL 共计提供了超过 100 个实现算法的模板函数，基本都包含在 <algorithm> 库中。它们往往是在元素范围上操作，如果范围定义为 [l, r]，则其实际查询或修改的范围为 [l, r)。下面大致列出部分常用算法，所有算法请参见：https://zh.cppreference.com/w/cpp/algorithm

① 查询类

find 顺序查找：find(l, r, val)；

find_end 逆序查找：find_end(l, r, val)；

② 修改类

reverse 翻转：reverse(l, r)，适用于数组和字符串；

swap 交换：swap(a, b)；

shuffle 随机打乱：shuffle(l, r)；

unique 去重：unique(Iterator first, Iterator last)，适用于各类容器。

③ 划分类

④ 排序类

sort 排序：sort(l, r, cmp)，cmp 为自定义的状态函数，关于这一点请参见 1.3.6 类与对象 中的重载运算符部分。

关于 sort 更具体的一些内容，请参见 2.4 排序十讲 中的快速排序部分。

stable_sort 稳定排序：stable_sort(l, r, cmp)，保证想等元素排序后相对位置与原序列一致；

nth_element 找第 n 大元素：nth_element(l, r, cmp)。

⑤ 二分搜索类

在有序序列中使用。

binary_search 二分查找：binart_search(l, r, val)；

lower_bound 返回第一个大于等于 val 的元素的迭代器：lower_bound(l, r, val);

upper_bound 返回第一个大于 val 的元素的迭代器：upper_bound(l, r, val)。

关于二分，请参见：2.5 二分

⑥ 集合类

⑦ 最小 / 大值类

max 最大值：max(a, b)；

min 最小值：min(a, b)。

 

下方是原 map 部分，暂时放在这里。

 

四、map的用途

　　I miss the taste of the sweeter life...哦对不起串了。

　　从名字就很好理解作用了——映射，令一物与另一物之间建立起一一映射的关系，以便获得将不方便查找的信息。

　　举个例子，一个很简单的问题，读入n个长度为m的字符串，再询问q次某某字符串是否在其中。初学者选择字符一一比对，O(nmq)；这是有人说，聪明人看到字符串早就去Hash了，可以，but，为保证正确性，哈希值同样会很大，开一个数组去存怕是无内存上限。

　　那好，我们将得到的哈希值编一个号，比如某巨大的数我们将它视作1，另一个巨大的数编成2，再把编号与值一一对应的关系给记录下来，用什么记录？

　　map：正是在下。

 

五、map的声明与功能

　　上面提了，map用途在于自动建立编号与值的对应。那么STL提供了哪些函数供我们来捣鼓里面的东西呢？

　　函数清单：insert, begin, end, size, rbegin, rend, find, count, lower_bound, upper_bound, erase。

　　其实这些函数中大部分也是STL容器中通用的函数，下面会有详细的使用介绍，适用于但不仅限于map。

 

1、构造

map <int, string> a;

　　简单明了，前者为键值（key），后者为值（value），此处为整形&字符串的映射，两者亦可为任何其他支持的类型。

 

2、插入数据

　　方法一（以pair形式）：

a.insert(pair <int, string>(1, "Zhangsan")); 
a.insert(pair <int, string>(2, "Lisi")); 
a.insert(pair <int, string>(3, "Wangwu")); 

　　方法二（以value_type形式）：

a.insert(map <int, string> :: value_type(1, "Zhangsan"));  

　　方法三（以数组形式）：

a[1] = "Zhangsan";

　　需要注意的是，方法一二无法覆盖数据，而方法三可以，即如果键值为1的map已经被映射到“Zhangsan”，可以通过数组形式直接修改。

 

3、数据遍历

　　这里引入新概念——迭代器（iterator）。先声明：

map <int, string>::iterator it; 

　　使用方法也很简易：

for (it = a.begin(); it != a.end(); it++)  
　　 cout << it -> first << ' ' << it -> second << endl;

　　这个是前向迭代器，同样还有反向迭代器，如下：

map <int, string> :: reverse_iterator rit;

for (rit = a.rbegin(); rit != a.rend(); rit++)
    cout << rit -> first << ' ' << rit -> second << endl;

　　同样地，还有用数组的方式遍历：

int s = a.size();
for (int i = 1; i <= s; i++) 
    cout << i << ' ' << a[i] << endl;

　　其中，size函数是用来获取map中有多少项数据。

　　注意点：在遍历时我们用了begin()和end()，两者类型均为迭代器。我们发现遍历起始点为begin()，当迭代器不等于end()时继续，这意味着begin()为开头标识，它包括了数据内容，即第一项数据；end()为结尾标识，但它是最后一项数据后面的一个独立的标识，本身并不表示任何数据。

 

4、查找数据

　　①判断是否出现用count函数

　　②判断出现在哪里用find函数

map <int, string> :: iterator itx;
itx = map.find(1);
int x = map.count(1);

map <int, string> :: iterator ity;
ity = map.find(4);
int y = map.count(4);

　　count函数只返回0或1，如上述代码中，x = 1, y = 0；

　　find函数返回的是一个迭代器，如上述代码中，itx -> first = 1, itx -> second = "Zhangsan"；

　　而如果没有该数据的话，则返回的是it = a.end()（末尾标识）。

 

5、上界下界

　　lower_bound()返回要查找关键字的下界，即值 >= 给定元素的第一个位置，upper_bound()返回上界，即值 > 给定元素的第一个位置。

map <int, int> a;

int main() {
    a[1] = 1, a[2] = 2, a[3] = 3, a[4] = 4;
    map <int, int> :: iterator it;
    for (int i = 1; i <= 4; i++) {
        it = a.lower_bound(i);
        printf("%d ", it -> first);
    }
    for (int i = 1; i <= 4; i++) {
        it = a.upper_bound(i);
        printf("%d ", it -> first);
    }
    return 0;
}

　　输出结果为“1 2 3 4 2 3 4 4”，其中upper_bound(4)由于不存在，故it = a.end()，而为什么it -> first输出4，这是个哲学问题，引用哲学家Cab的话说，“从结论上说访问end的first是会得到size，然而是undefined behavior（未定义行为）”。所以大可不必纠结这东西了。

 

6、删除元素

　　这里介绍两种删除方法：单删除，区间删除。

　　单删除即直接删除一项，传入参数可以为键值，也可以为一个迭代器。

map <int, string> :: iterator it;
a.erase(1);
it = a.find(2);
a.erase(it);

　　区间删除只能为迭代器。听上去美，但是毕竟这是map不是for，当你的数据并不是美好的从1到n连续编号时，你只能拿它作clear的操作了，也就是：

a.erase(a.begin(), a.end());

　　从这里又可得知一点，erase两个参数也是左闭右开的关系，即包括前者不包括后者。

 

7、排序问题

　　map中的元素是自动按键值升序排序，无论是数还是字符串。但如果键值为一个结构体，我们需要重载小于符号。如下小程序中，我们将囊括学号姓名两项数据的结构体作为键值，成绩作为值，然后需要以学号进行升序排序：

#include <bits/stdc++.h>
using namespace std;

#define MAXN 35

struct Stu {
    int id;
    string str;
    bool operator < (Stu const& x) const {
        return id < x.id;
    }
};

map <Stu, int> a;

int n, id, o;
string str;

int main() {
    cin >> n;
    for (int i = 1; i <= n; i++) {
        cin >> id >> str >> o;
        a.insert(pair <Stu, int> ((Stu) {id, str}, o));
    }
    map <Stu, int> :: iterator it;
    for (it = a.begin(); it != a.end(); it++)
        cout << it -> first.id << ' ' << it -> first.str << ' ' << it -> second << endl;
    return 0;
}