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C++STL
短时间让大家对C++STL有所学习
STL概述
STL的一个重要特点是数据结构和算法的分离。
尽管这是个简单的概念,但这种分离确实使得STL变得非常通用。
例如,由于STL的sort()函数是完全通用的,你可以用它来操作几乎任何数据集合,包括链表,容器和数组。
要点
STL算法作为模板函数提供。
为了和其他组件相区别,在本书中STL算法以后接一对圆括弧的方式表示,例如sort()。
STL另一个重要特性是它不是面向对象的。
为了具有足够通用性,STL主要依赖于模板而不是封装,继承和虚函数(多态性)——OOP的三个要素。
你在STL中找不到任何明显的类继承关系。
这好像是一种倒退,但这正好是使得STL的组件具有广泛通用性的底层特征。
另外,由于STL是基于模板,内联函数的使用使得生成的代码短小高效。
提示
确保在编译使用了STL的程序中至少要使用-O优化来保证内联扩展。
STL组件
STL提供了大量的模板类和函数,可以在OOP和常规编程中使用。
所有的STL的大约50个算法都是完全通用的,而且不依赖于任何特定的数据类型。
下面的小节说明了三个基本的STL组件:
1) 迭代器提供了访问容器中对象的方法。
例如,可以使用一对迭代器指定list或vector中的一定范围的对象。
迭代器就如同一个指针。
事实上,C++的指针也是一种迭代器。
但是,迭代器也可以是那些定义了operator*()以及其他类似于指针的操作符地方法的类对象。
2) 容器是一种数据结构,如list,vector,和deques,以模板类的方法提供。
为了访问容器中的数据,可以使用由容器类输出的迭代器。
3) 算法是用来操作容器中的数据的模板函数。
例如,STL用sort()来对一个vector中的数据进行排序,用find()来搜索一个list中的对象。
函数本身与他们操作的数据的结构和类型无关,因此他们可以在从简单数组到高度复杂容器的任何数据结构上使用。
头文件
为了避免和其他头文件冲突,STL的头文件不再使用常规的.h扩展。
为了包含标准的string类,迭代器和算法,用下面的指示符:
#include
#include
#include
如果你查看STL的头文件,你可以看到象iterator.h和stl_iterator.h这样的头文件。
由于这些名字在各种STL实现之间都可能不同,你应该避免使用这些名字来引用这些头文件。
为了确保可移植性,使用相应的没有.h后缀的文件名。
表1列出了最常使用的各种容器类的头文件。
该表并不完整,对于其他头文件,我将在本章和后面的两章中介绍。
表 1.STL头文件和容器类
#include
ContainerClass
deque
list
map,multimap
queue,priority_queue
set,multiset
stack
vector,vector
名字空间
你的编译器可能不能识别名字空间。
名字空间就好像一个信封,将标志符封装在另一个名字中。
标志符只在名字空间中存在,因而避免了和其他标志符冲突。
例如,可能有其他库和程序模块定义了sort()函数,为了避免和STL地sort()算法冲突,STL的sort()以及其他标志符都封装在名字空间std中。
STL的sort()算法编译为std:
:
sort(),从而避免了名字冲突。
尽管你的编译器可能没有实现名字空间,你仍然可以使用他们。
为了使用STL,可以将下面的指示符插入到你的源代码文件中,典型地是在所有的#include指示符的后面:
usingnamespacestd;
迭代器
迭代器提供对一个容器中的对象的访问方法,并且定义了容器中对象的范围。
迭代器就如同一个指针。
事实上,C++的指针也是一种迭代器。
但是,迭代器不仅仅是指针,因此你不能认为他们一定具有地址值。
例如,一个数组索引,也可以认为是一种迭代器。
迭代器有各种不同的创建方法。
程序可能把迭代器作为一个变量创建。
一个STL容器类可能为了使用一个特定类型的数据而创建一个迭代器。
作为指针,必须能够使用*操作符类获取数据。
你还可以使用其他数学操作符如++。
典型的,++操作符用来递增迭代器,以访问容器中的下一个对象。
如果迭代器到达了容器中的最后一个元素的后面,则迭代器变成past-the-end值。
使用一个past-the-end值得指针来访问对象是非法的,就好像使用NULL或为初始化的指针一样。
提示
STL不保证可以从另一个迭代器来抵达一个迭代器。
例如,当对一个集合中的对象排序时,如果你在不同的结构中指定了两个迭代器,第二个迭代器无法从第一个迭代器抵达,此时程序注定要失败。
这是STL灵活性的一个代价。
STL不保证检测毫无道理的错误。
迭代器的类型
对于STL数据结构和算法,你可以使用五种迭代器。
下面简要说明了这五种类型:
· Inputiterators 提供对数据的只读访问。
· Outputiterators 提供对数据的只写访问
· Forwarditerators 提供读写操作,并能向前推进迭代器。
· Bidirectionaliterators提供读写操作,并能向前和向后操作。
· Randomaccessiterators提供读写操作,并能在数据中随机移动。
尽管各种不同的STL实现细节方面有所不同,还是可以将上面的迭代器想象为一种类继承关系。
从这个意义上说,下面的迭代器继承自上面的迭代器。
由于这种继承关系,你可以将一个Forward迭代器作为一个output或input迭代器使用。
同样,如果一个算法要求是一个bidirectional迭代器,那么只能使用该种类型和随机访问迭代器。
指针迭代器
正如下面的小程序显示的,一个指针也是一种迭代器。
该程序同样显示了STL的一个主要特性——它不只是能够用于它自己的类类型,而且也能用于任何C或C++类型。
Listing1,iterdemo.cpp,显示了如何把指针作为迭代器用于STL的find()算法来搜索普通的数组。
表 1.iterdemo.cpp
#include
#include
usingnamespacestd;
#defineSIZE100
intiarray[SIZE];
intmain()
{
iarray[20]=50;
int*ip=find(iarray,iarray+SIZE,50);
if(ip==iarray+SIZE)
cout<<"50notfoundinarray"< else cout<<*ip<<"foundinarray"< return0; } 在引用了I/O流库和STL算法头文件(注意没有.h后缀),该程序告诉编译器使用std名字空间。 使用std名字空间的这行是可选的,因为可以删除该行对于这么一个小程序来说不会导致名字冲突。 程序中定义了尺寸为SIZE的全局数组。 由于是全局变量,所以运行时数组自动初始化为零。 下面的语句将在索引20位置处地元素设置为50,并使用find()算法来搜索值50: iarray[20]=50; int*ip=find(iarray,iarray+SIZE,50); find()函数接受三个参数。 头两个定义了搜索的范围。 由于C和C++数组等同于指针,表达式iarray指向数组的第一个元素。 而第二个参数iarray+SIZE等同于past-the-end 值,也就是数组中最后一个元素的后面位置。 第三个参数是待定位的值,也就是50。 find()函数返回和前两个参数相同类型的迭代器,这儿是一个指向整数的指针ip。 提示 必须记住STL使用模板。 因此,STL函数自动根据它们使用的数据类型来构造。 为了判断find()是否成功,例子中测试ip和 past-the-end 值是否相等: if(ip==iarray+SIZE)... 如果表达式为真,则表示在搜索的范围内没有指定的值。 否则就是指向一个合法对象的指针,这时可以用下面的语句显示: : cout<<*ip<<"foundinarray"< 测试函数返回值和NULL是否相等是不正确的。 不要象下面这样使用: int*ip=find(iarray,iarray+SIZE,50); if(ip! =NULL)... //? ? ? incorrect 当使用STL函数时,只能测试ip是否和past-the-end 值是否相等。 尽管在本例中ip是一个C++指针,其用法也必须符合STL迭代器的规则。 容器迭代器 尽管C++指针也是迭代器,但用的更多的是容器迭代器。 容器迭代器用法和iterdemo.cpp一样,但和将迭代器申明为指针变量不同的是,你可以使用容器类方法来获取迭代器对象。 两个典型的容器类方法是begin()和end()。 它们在大多数容器中表示整个容器范围。 其他一些容器还使用rbegin()和rend()方法提供反向迭代器,以按反向顺序指定对象范围。 下面的程序创建了一个矢量容器(STL的和数组等价的对象),并使用迭代器在其中搜索。 该程序和前一章中的程序相同。 Listing2.vectdemo.cpp #include #include #include usingnamespacestd; vector voidmain() { intVector[20]=50; vector : iteratorintIter= find(intVector.begin(),intVector.end(),50); if(intIter! =intVector.end()) cout<<"Vectorcontainsvalue"<<*intIter< else cout<<"Vectordoesnotcontain50"< } 注意用下面的方法显示搜索到的数据: cout<<"Vectorcontainsvalue"<<*intIter< 常量迭代器 和指针一样,你可以给一个迭代器赋值。 例如,首先申明一个迭代器: vector : iteratorfirst; 该语句创建了一个vector 下面的语句将该迭代器设置到intVector的第一个对象,并将它指向的对象值设置为123: : first=intVector.begin(); *first=123; 这种赋值对于大多数容器类都是允许的,除了只读变量。 为了防止错误赋值,可以申明迭代器为: constvector : iteratorresult; result=find(intVector.begin(),intVector.end(),value); if(result! =intVector.end()) *result=123; //? ? ? 警告 另一种防止数据被改变得方法是将容器申明为const类型。 『呀! 在VC中测试出错,正确的含义是result成为常量而不是它指向的对象不允许改变,如同int*constp;看来这作者自己也不懂』 使用迭代器编程 你已经见到了迭代器的一些例子,现在我们将关注每种特定的迭代器如何使用。 由于使用迭代器需要关于STL容器类和算法的知识,在阅读了后面的两章后你可能需要重新复习一下本章内容。 输入迭代器 输入迭代器是最普通的类型。 输入迭代器至少能够使用==和! =测试是否相等;使用*来访问数据;使用++操作来递推迭代器到下一个元素或到达past-the-end 值。 为了理解迭代器和STL函数是如何使用它们的,现在来看一下find()模板函数的定义: template InputIteratorfind( InputIteratorfirst,InputIteratorlast,constT&value){ while(first! =last&&*first! =value)++first; returnfirst; } 注意 在find()算法中,注意如果first和last指向不同的容器,该算法可能陷入死循环。 输出迭代器 输出迭代器缺省只写,通常用于将数据从一个位置拷贝到另一个位置。 由于输出迭代器无法读取对象,因此你不会在任何搜索和其他算法中使用它。 要想读取一个拷贝的值,必须使用另一个输入迭代器(或它的继承迭代器)。 Listing3.outiter.cpp #include #include #include usingnamespacestd; doubledarray[10]= {1.0,1.1,1.2,1.3,1.4,1.5,1.6,1.7,1.8,1.9}; vector intmain() { vector : iteratoroutputIterator=vdouble.begin(); copy(darray,darray+10,outputIterator); while(outputIterator! =vdouble.end()){ cout<<*outputIterator< outputIterator++; } return0; } 注意 当使用copy()算法的时候,你必须确保目标容器有足够大的空间,或者容器本身是自动扩展的。 前推迭代器 前推迭代器能够读写数据值,并能够向前推进到下一个值。 但是没法递减。 replace()算法显示了前推迭代器的使用方法。 template voidreplace(ForwardIteratorfirst, ForwardIteratorlast, constT&old_value, constT&new_value); 使用replace()将[first,last]范围内的所有值为old_value的对象替换为new_value。 : replace(vdouble.begin(),vdouble.end(),1.5,3.14159); 双向迭代器 双向迭代器要求能够增减。 如reverse()算法要求两个双向迭代器作为参数: template voidreverse(BidirectionalIteratorfirst, BidirectionalIteratorlast); 使用reverse()函数来对容器进行逆向排序: reverse(vdouble.begin(),vdouble.end()); 随机访问迭代器 随机访问迭代器能够以任意顺序访问数据,并能用于读写数据(不是const的C++指针也是随机访问迭代器)。 STL的排序和搜索函数使用随机访问迭代器。 随机访问迭代器可以使用关系操作符作比较。 random_shuffle() 函数随机打乱原先的顺序。 申明为: template voidrandom_shuffle(RandomAccessIteratorfirst, RandomAccessIteratorlast); 使用方法: random_shuffle(vdouble.begin(),vdouble.end()); 迭代器技术 要学会使用迭代器和容器以及算法,需要学习下面的新技术。 流和迭代器 本书的很多例子程序使用I/O流语句来读写数据。 例如: intvalue; cout<<"Entervalue: "; cin>>value; cout<<"Youentered"< 对于迭代器,有另一种方法使用流和标准函数。 理解的要点是将输入/输出流作为容器看待。 因此,任何接受迭代器参数的算法都可以和流一起工作。 Listing4.outstrm.cpp #include #include #include #include #include usingnamespacestd; voidDisplay(vector intmain() { //Seedtherandomnumbergenerator srandom(time(NULL)); //Constructvectorandfillwithrandomintegervalues vector for(inti=0;i<10;i++) collection[i]=random()%10000;; //Display,sort,andredisplay Display(collection,"Beforesorting"); sort(collection.begin(),collection.end()); Display(collection,"Aftersorting"); return0; } //Displaylabelsandcontentsofintegervectorv voidDisplay(vector { cout< copy(v.begin(),v.end(), ostream_iterator cout< } 函数Display()显示了如何使用一个输出流迭代器。 下面的语句将容器中的值传输到cout输出流对象中: copy(v.begin(),v.end(), ostream_iterator 第三个参数实例化了ostream_iterator “/t”字符串是作为分隔符。 运行结果: $g++outstrm.cpp $./a.out Beforesorting 677 722 686 238 964 397 251 118 11 312 Aftersorting 11 118 238 251 312 397 677 686 722 964 这是STL神奇的一面『确实神奇』。 为定义输出流迭代器,STL提供了模板类ostream_iterator。 这个类的构造函数有两个参数: 一个ostream对象和一个string值。 因此可以象下面一样简单地创建一个迭代器对象: ostream_iterator 该迭代起可以和任何接受一个输出迭代器的函数一起使用。 插入迭代器 插入迭代器用于将值插入到容器中。 它们也叫做适配器,因为它们将容器适配或转化为一个迭代器,并用于copy()这样的算法中。 例如,一个程序定义了一个链表和一个矢量容器: list vector 通过使用front_inserter迭代器对象,可以只用单个copy()语句就完成将矢量中的对象插入到链表前端的操作: copy(dVector.begin(),dVector.end(),front_inserter(dList)); 三种插入迭代器如下: · 普通插入器 将对象插入到容器任何对象的前面。 · Frontinserters 将对象插入到数据集的前面——例如,链表表头。 · Backinserters 将对象插入到集合的尾部——例如,矢量的尾部,导致矢量容器扩展。 使用插入迭代器可能导致容器中的其他对象移动位置,因而使得现存的迭代器非法。 例如,将一个对象插入到矢量容器将导致其他值移动位置以腾出空间。 一般来说,插入到象链表这样的结构中更为有效,因为它们不会导致其他对象移动。 Listing5.insert.cpp #include #include #include usingnamespacestd; intiArray[5]={1,2,3,4,5}; voidDisplay(list intmain() { list //CopyiArraybackwardsintoiList copy(iArray,iArray+5,front_inserter(iList)); Display(iList,"Beforefindandcopy"); //Locatevalue3iniList list : iteratorp= find(iList.begin(),iList.end(),3); //CopyfirsttwoiArrayvalue
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