C+模板与STL库介绍sddnet.pku.edu.cn1提纲o1.概论o2.模板机制的介绍o3.STL中的基本概念o4.容器概述o5.迭代器o6.算法简介概论oC+语言的核心优势之一就是便于软件的重用oC+中有两个方面体现重用：n1.面向对象的思想：继承和多态，标准类库n2.泛型程序设计(genericprogramming)的思想：模板机制，以及标准模板库STL这次课的重点这次课的重点泛型程序设计o泛型程序设计，简单地说就是使用模板的程序设计法。n将一些常用的数据结构（比如链表，数组，二叉树）和算法（比如排序，查找）写成模板，以后则不论数据结构里放的是什么对象，算法针对什么样的对象，则都不必重新实现数据结构，重新编写算法。o标准模板库(StandardTemplateLibrary)就是一些常用数据结构和算法的模板的集合。主要由AlexStepanov开发，于1998年被添加进C+标准o有了STL，不必再从头写大多的标准数据结构和算法，并且可获得非常高的性能。模板引子1.假如设计一个求两参数最大值的函数，在实践中我们可能需要定义四个函数：intmax(inta,intb)return(ab)?a,b;longmax(longa,longb)return(ab)?a,b;doublemax(doublea,doubleb)return(ab)?a,b;charmax(chara,charb)return(ab)?a,b;2.这些函数几乎相同，唯一的区别就是形参类型不同3.需要事先知道有哪些类型会使用这些函数，对于未知类型这些函数不起作用模板的概念1.所谓模板是一种使用无类型参数来产生一系列函数或类的机制。2.若一个程序的功能是对某种特定的数据类型进行处理，则可以将所处理的数据类型说明为参数，以便在其他数据类型的情况下使用，这就是模板的由来。3.模板是以一种完全通用的方法来设计函数或类而不必预先说明将被使用的每个对象的类型。4.通过模板可以产生类或函数的集合，使它们操作不同的数据类型，从而避免需要为每一种数据类型产生一个单独的类或函数。模板分类o函数模板(functiontemplate)n是独立于类型的函数n可产生函数的特定版本o类模板(classtemplate)n跟类相关的模板，如vectorn可产生类对特定类型的版本，如vector7求最大值模板函数实现1.求两个数最大值，使用模板templateTmax(Ta,Tb)return(ab)?a,b;2.template（模板函数形参表）/函数定义体8模板工作方式o函数模板只是说明，不能直接执行，需要实例化为模板函数后才能执行o在说明了一个函数模板后，当编译系统发现有一个对应的函数调用时，将根据实参中的类型来确认是否匹配函数模板中对应的形参，然后生成一个重载函数。该重载函数的定义体与函数模板的函数定义体相同，它称之为模板函数9#includetemplateTmin(Ta,intn)inti;Tminv=a0;for(i=1;iai) minv=ai;returnminv;编写一个对具有n个元素的数组a求最小值的程序，要求将求最小值的函数设计成函数模板。voidmain()inaa=1,3,0,2,7,6,4,5,2;doubleb=1.2,-3.4,6.8,9,8;cout”a数组的最小值为：”min(a,9)endl;cout”b数组的最小值为：”min(b,4)endl;此程序的运行结果为：a数组的最小值为：0b数组的最小值为：-3.4模板优缺点o函数模板方法克服了C语言解决上述问题时用大量不同函数名表示相似功能的坏习惯o克服了宏定义不能进行参数类型检查的弊端o克服了C+函数重载用相同函数名字重写几个函数的繁琐o缺点，调试比较困难n一般先写一个特殊版本的函数n运行正确后，改成模板函数11STL中的几个基本概念o容器：可容纳各种数据类型的数据结构。o迭代器：可依次存取容器中元素的东西o算法：用来操作容器中的元素的函数模板。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。n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。o比如，数组intarray100就是个容器，而int*类型的指针变量就可以作为迭代器，可以为这个容器编写一个排序的算法容器概述o可以用于存放各种类型的数据（基本类型的变量，对象等）的数据结构。o容器分为三大类：1)顺序容器vector：后部插入/删除，直接访问deque：前/后部插入/删除，直接访问list：双向链表，任意位置插入/删除2)关联容器set：快速查找，无重复元素multiset：快速查找，可有重复元素map：一对一映射，无重复元素，基于关键字查找multimap：一对一映射，可有重复元素，基于关键字查找前2者合称为第一类容器3)容器适配器stack：LIFOqueue：FIFOpriority_queue：优先级高的元素先出容器概述o对象被插入容器中时，被插入的是对象的一个复制品。o许多算法，比如排序，查找，要求对容器中的元素进行比较，所以，放入容器的对象所属的类，还应该实现=和运算符。顺序容器简介1)vector头文件实际上就是个动态数组。随机存取任何元素都能在常数时间完成。在尾端增删元素具有较佳的性能。2)deque头文件也是个动态数组，随机存取任何元素都能在常数时间完成(但性能次于vector)。在两端增删元素具有较佳的性能。3)list头文件双向链表，在任何位置增删元素都能在常数时间完成。不支持随机存取。上述三种容器称为顺序容器，是因为元素的插入位置同元素的值无关。关联容器简介o关联式容器内的元素是排序的，插入任何元素，都按相应的排序准则来确定其位置。关联式容器的特点是在查找时具有非常好的性能。1)set/multiset:头文件set即集合。set中不允许相同元素，multiset中允许存在相同的元素。2)map/multimap:头文件map与set的不同在于map中存放的是成对的key/value。并根据key对元素进行排序，可快速地根据key来检索元素map同multimap的不同在于是否允许多个元素有相同的key值。上述4种容器通常以平衡二叉树方式实现，插入和检索的时间都是O(logN)容器适配器简介1)stack:头文件栈。是项的有限序列，并满足序列中被删除、检索和修改的项只能是最近插入序列的项。即按照后进先出的原则2)queue:头文件队列。插入只可以在尾部进行，删除、检索和修改只允许从头部进行。按照先进先出的原则。3）priority_queue:头文件优先级队列。最高优先级元素总是第一个出列容器的共有成员函数1)所有标准库容器共有的成员函数：n相当于按词典顺序比较两个容器大小的运算符：=,=,=,!=nempty:判断容器中是否有元素nmax_size:容器中最多能装多少元素nsize:容器中元素个数nswap:交换两个容器的内容比较两个容器的例子比较两个容器的例子：比较两个容器的例子：#include #include int main()std:vector v1;std:vector v2;v1.push_back (5); v1.push_back (1);v2.push_back (1); v2.push_back (2);v2.push_back (3);std:cout (v1 v2); return 0;若两容器长度相同、所有元素相等，则两个容器就相等，否则为不等。若两容器长度不同，但较短容器中所有元素都等于较长容器中对应的元素，则较短容器小于另一个容器若两个容器均不是对方的子序列，则取决于所比较的第一个不等的元素输出：输出：019容器的成员函数2)只在第一类容器中的函数：begin返回指向容器中第一个元素的迭代器end返回指向容器中最后一个元素后面的位置的迭代器rbegin返回指向容器中最后一个元素的迭代器rend返回指向容器中第一个元素前面的位置的迭代器erase从容器中删除一个或几个元素clear从容器中删除所有元素HeadTailbeginrbeginrendend迭代器o用于指向第一类容器中的元素。有const和非const两种。o通过迭代器可以读取它指向的元素，通过非const迭代器还能修改其指向的元素。迭代器用法和指针类似。o定义一个容器类的迭代器的方法可以是：容器类名:iterator变量名;或：容器类名:const_iterator变量名;o访问一个迭代器指向的元素：*迭代器变量名迭代器o迭代器上可以执行+操作,以指向容器中的下一个元素。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。o使用一个past-the-end值的迭代器来访问对象是非法的，就好像使用NULL或未初始化的指针一样。例如：#include#includeusingnamespacestd;intmain()vectorv;/一个存放int元素的向量，一开始里面没有元素v.push_back(1);v.push_back(2);v.push_back(3);v.push_back(4);vector:const_iteratori;/常量迭代器for(i=v.begin();i!=v.end();i+)cout*i,;coutendl;vector:reverse_iteratorr;/反向迭代器for(r=v.rbegin();r!=v.rend();r+)cout*r,;coutendl;vector:iteratorj;/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,;输出结果：1,2,3,4,4,3,2,1,100,100,100,100,迭代器o不同容器上支持的迭代器功能强弱有所不同。o容器的迭代器的功能强弱，决定了该容器是否支持STL中的某种算法。n例1：只有第一类容器能用迭代器遍历。n例2：排序算法需要通过随机迭代器来访问容器中的元素，那么有的容器就不支持排序算法。STL中的迭代器oSTL中的迭代器按功能由弱到强分为5种：1.输入：Inputiterators提供对数据的只读访问。1.输出：Outputiterators提供对数据的只写访问2.正向：Forwarditerators提供读写操作，并能一次一个地向前推进迭代器。3.双向：Bidirectionaliterators提供读写操作，并能一次一个地向前和向后移动。4.随机访问：Randomaccessiterators提供读写操作，并能在数据中随机移动。o编号大的迭代器拥有编号小的迭代器的所有功能，能当作编号小的迭代器使用。不同迭代器所能进行的操作(功能）o所有迭代器：+p,p+o输入迭代器：*p,p=p1,p=p1,p!=p1o输出迭代器：*p,p=p1o正向迭代器：上面全部o双向迭代器：上面全部，-p,p-,o随机访问迭代器：上面全部，以及：np+=i,p-=i,np+i：返回指向p后面的第i个元素的迭代器np-i：返回指向p前面的第i个元素的迭代器npi:p后面的第i个元素的引用npp1,pp1,p=p1容器所支持的迭代器类别容器迭代器类别vector随机deque随机list双向set/multiset双向map/multimap双向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的迭代器是随机迭代器，所以遍历vector可以有以下几种做法：vectorv(100);vector:value_typei;/等效于写inti;(P687)for(i=0;iv.size();i+)coutvi;vector:const_iteratorii;for(ii=v.begin();ii!=v.end();ii+)cout*ii;/间隔一个输出：ii=v.begin();while(iiv.end()cout*ii;ii=ii+2;而list的迭代器是双向迭代器，所以以下代码可以：listv;list:const_iteratorii;for(ii=v.begin();ii！v.end();ii+)cout*ii;以下代码则不行：for(ii=v.begin();iiv.end();ii+)cout*ii;/双向迭代器不支持for(inti=0;iv.size();i+)coutvi;/双向迭代器不支持算法简介oSTL中提供能在各种容器中通用的算法，比如插入，删除，查找，排序等。大约有70种标准算法。n算法就是一个个函数模板。n算法通过迭代器来操纵容器中的元素。许多算法需要两个参数，一个是起始元素的迭代器，一个是终止元素的后面一个元素的迭代器。比如，排序和查找n有的算法返回一个迭代器。比如find()算法，在容器中查找一个元素，并返回一个指向该元素的迭代器。n算法可以处理容器，也可以处理C语言的数组算法分类o变化序列算法ncopy,remove,fill,replace,random_shuffle,swap,.n会改变容器o非变化序列算法：nadjacent-find,equal,mismatch,find,count,search,count_if,for_each,search_no以上函数模板都在中定义o此外还有其他算法，比如中的算法算法示例：find()templateInItfind(InIt first, InIt last, const T& val);ofirst和last这两个参数都是容器的迭代器，它们给出了容器中的查找区间起点和终点。n这个区间是个左闭右开的区间，即区间的起点是位于查找范围之中的，而终点不是oval参数是要查找的元素的值o函数返回值是一个迭代器。如果找到，则该迭代器指向被找到的元素。如果找不到，则该迭代器指向查找区间终点。#include#include#includeusingnamespacestd;main()intarray10=10,20,30,40;vectorv;v.push_back(1);v.push_back(2);v.push_back(3);v.push_back(4);vector:iteratorp;p=find(v.begin(),v.end(),3);if(p!=v.end()cout*pendl;p=find(v.begin(),v.end(),9);if(p=v.end()coutnotfoundendl;p=find(v.begin()+1,v.end()-2,1);if(p!=v.end()cout*pendl;int*pp=find(array,array+4,20);cout*ppendl;输出：3notfound320顺序容器o除前述共同操作外，顺序容器还有以下共同操作：nfront():返回容器中第一个元素的引用nback():返回容器中最后一个元素的引用npush_back():在容器末尾增加新元素npop_back():删除容器末尾的元素o比如，查list:front的help,得到的定义是：nreferencefront();nconst_referencefront()const;nlist有两个front函数顺序容器oreference和const_reference是typedef的类型o对于list,nlist:reference实际上就是double&nlist:const_reference实际上就是constdouble&o对于list,nlist:refrence实际上就是int&nlist:const_refreence实际上就是constint&vectoro支持随机访问迭代器，所有STL算法都能对vector操作。o随机访问时间为常数。在尾部添加速度很快，在中间插入慢。实际上就是动态数组。例例1：int main() int i;int a5 = 1,2,3,4,5 ; vector v(5);cout v.end() - v.begin() endl;for( i = 0;i v.size();i + ) vi = i;v.at(4) = 100;for( i = 0;i v.size();i + )cout vi , ;cout endl;vector v2(a,a+5); /构造函数构造函数v2.insert( v2.begin() + 2, 13 ); /在在begin()+2位置插入位置插入 13for( i = 0;i v2.size();i + )cout v2i , ; return 0;输出：50,1,2,3,100,1,2,13,3,4,5,例例2：int main() const int SIZE = 5;int aSIZE = 1,2,3,4,5 ; vector v (a,a+5); /构造函数构造函数try v.at(100) = 7;catch( out_of_range e) cout e.what() endl;cout v.front() “,” v.back() endl;v.erase(v.begin();ostream_iterator output(cout ,“*);copy (v.begin(),v.end(),output);v.erase( v.begin(),v.end(); /等效于等效于 v.clear();if( v.empty ()cout empty endl;v.insert (v.begin(),a,a+SIZE);copy (v.begin(),v.end(),output); / 输出：输出：invalid vector subscript1,52*3*4*5*empty1*2*3*4*5*算法解释oostream_iteratoroutput(cout,“*);n定义了一个ostream_iterator对象，可以通过cout输出以*分隔的一个个整数ocopy(v.begin(),v.end(),output);n导致v的内容在cout上输出ocopy函数模板(算法）：templateOutItcopy(InItfirst,InItlast,OutItx);n本函数对每个在区间0,last-first)中的N执行一次*(x+N)=*(first+N)，返回x+No对于copy(v.begin(),v.end(),output);nfirst和last的类型是vector:const_iteratornoutput的类型是ostream_iterator关于关于 ostream_iterator, istream_iterator的例子的例子int main() istream_iterator inputInt(cin);int n1,n2;n1 = * inputInt; /读入读入 n1inputInt +; n2 = * inputInt; /读入读入 n2cout n1 , n2 endl;ostream_iterator outputInt(cout);* outputInt = n1 + n2; cout endl;int a5 = 1,2,3,4,5;copy(a,a+5,outputInt); /输出整个数组输出整个数组 return 0;程序运行后输入程序运行后输入 78 90敲回车，则输出结果为：敲回车，则输出结果为：78,9016812345list容器o在任何位置插入删除都是常数时间，不支持随机存取。除了具有所有顺序容器都有的成员函数以外，还支持8个成员函数：npush_front:在前面插入npop_front:删除前面的元素nsort:排序(list不支持STL的算法sort)nremove:删除和指定值相等的所有元素nunique:删除所有和前一个元素相同的元素nmerge:合并两个链表，并清空被合并的那个nreverse:颠倒链表nsplice:在指定位置前面插入另一链表中的一个或多个元素,并在另一链表中删除被插入的元素deque容器o所有适用于vector的操作都适用于dequeodeque还有push_front（将元素插入到前面）和pop_front(删除最前面的元素）操作关联容器oset,multiset,map,multimapn内部元素有序排列，新元素插入的位置取决于它的值，查找速度快nmap关联数组：元素通过键来存储和读取nset大小可变的集合，支持通过键实现的快速读取nmultimap支持同一个键多次出现的map类型nmultiset支持同一个键多次出现的set类型o与顺序容器的本质区别n关联容器是通过键(key)存储和读取元素的n而顺序容器则通过元素在容器中的位置顺序存储和访问元素。48关联容器o除了各容器都有的函数外，还支持以下成员函数：设m表容器，k表键值nm.find(k)：如果容器中存在键为k的元素，则返回指向该元素的迭代器。如果不存在，则返回end()值。nm.lower_bound(k)：返回一个迭代器，指向键不小于k的第一个元素nm.upper_bound(k)：返回一个迭代器，指向键大于k的第一个元素nm.count(k)：返回m中k的出现次数n插入元素用insert49settemplateclassKey,classPred=less,classA=allocatorclassset插入set中已有的元素时，插入不成功。50pair模板opair模板类用来绑定两个对象为一个新的对象，该类型在头文件中定义。opair模板类支持如下操作：npairp1：创建一个空的pair对象，它的两个元素分别是T1和T2类型，采用值初始化npairp1(v1,v2)：创建一个pair对象，它的两个元素分别是T1和T2类型，其中first成员初始化为v1，second成员初始化为v2nmake_pair(v1,v2)：以v1和v2值创建一个新的pair对象，其元素类型分别是v1和v2的类型np1p2字典次序：如果p1.firstp2.first或者!(p2.firstp1.first)&p1.secondp2.second，则返回truenp1=p2：如果两个pair对象的first和second成员依次相等，则这两个对象相等。np.first：返回p中名为first的（公有）数据成员np.second：返回p中名为second的（公有）数据成员51#include#includeusingnamespacestd;intmain()typedefsetdouble,lessdouble_set;constintSIZE=5;doubleaSIZE=2.1,4.2,9.5,2.1,3.7;double_setdoubleSet(a,a+SIZE);ostream_iteratoroutput(cout,);cout1);copy(doubleSet.begin(),doubleSet.end(),output);coutendl; pair p; p = doubleSet.insert(9.5); if(p.second)cout2)*(p.first)insertedendl;elsecout2)*(p.first)notinsertedendl;return0;insert函数返回值是一个pair对象,其first是被插入元素的迭代器，second代表是否成功插入了输出：1)2.13.74.29.52)9.5notinsertedmultimaptemplateclassKey,classT,classPred=less,classA=allocatorclassmultimap.typedefpairvalue_type;.;/Key代表关键字omultimap中的元素由组成，每个元素是一个pair对象。multimap中允许多个元素的关键字相同。元素按照关键字升序排列，缺省情况下用less定义关键字的“小于”关系54maptemplateclassKey,classT,classPred=less,classA=allocatorclassmap.typedefpairvalue_type;.;omap中的元素关键字各不相同。元素按照关键字升序排列，缺省情况下用less定义“小于”55mapo可以用pairskey访形式问map中的元素。npairs为map容器名，key为关键字的值。n该表达式返回的是对关键值为key的元素的值的引用。n如果没有关键字为key的元素，则会往pairs里插入一个关键字为key的元素，并返回其值的引用o如：mappairs;则pairs50=5;会修改pairs中关键字为50的元素，使其值变成556#include#includeusingnamespacestd;ostream&operator(ostream&o,constpair&p)o(p.first,p.second);returno;intmain()typedefmapint,double,lessmmid;mmidpairs;cout1)pairs.count(15)endl;pairs.insert(mmid:value_type(15,2.7);pairs.insert(make_pair(15,99.3);/make_pair生成pair对象cout2)pairs.count(15)endl;pairs.insert(mmid:value_type(20,9.3);mmid:iteratori;cout3);for(i=pairs.begin();i!=pairs.end();i+)cout*i,;coutendl;cout4);intn=pairs40;/如果没有关键字为40的元素，则插入一个for(i=pairs.begin();i!=pairs.end();i+)cout*i,;coutendl;cout5);pairs15=6.28;/把关键字为15的元素值改成6.28for(i=pairs.begin();i!=pairs.end();i+)cout*i,;return0;输出：1)02)13)(15,2.7),(20,9.3),4)(15,2.7),(20,9.3),(40,0),5)(15,6.28),(20,9.3),(40,0),思考题o如何用程序用来统计一篇英文文章中单词出现的频率（为简单起见，假定依次从键盘输入该文章）#include#includeusingnamespacestd;intmain()mapwordCount;stringword;while(cinword)+wordCountword;for(map:iteratorit=wordCount.begin();it!=wordCount.end();+it)coutWord:(*it).firsttCount:(*it).secondendl;return0;60容器适配器:stacko可用vector,list,deque来实现n缺省情况下，用deque实现n用vector和deque实现，比用list实现性能好templateclassT,classCont=dequeclassstack.;ostack是后进先出的数据结构，只能插入、删除、访问栈顶的元素61容器适配器:stackostack上可以进行以下操作：npush:插入元素npop:弹出元素ntop:返回栈顶元素的引用62容器适配器:queueo和stack基本类似，可以用list和deque实现，缺省情况下用deque实现templateclassT,classCont=dequeclassqueue;o同样也有push,pop,top函数o但是push发生在队尾，pop,top发生在队头，先进先出63容器适配器:priority_queueo和queue类似，可以用vector和deque实现，缺省情况下用vector实现。opriority_queue通常用堆排序技术实现，保证最大的元素总是在最前面。即执行pop操作时，删除的是最大的元素，执行top操作时，返回的是最大元素的引用。默认的元素比较器是less64#include#includeusingnamespacestd;intmain()priority_queuepriorities;priorities.push(3.2);priorities.push(9.8);priorities.push(5.4);while(!priorities.empty()coutpriorities.top();priorities.pop();return0;/输出结果：9.85.43.2排序和查找算法oSorttemplatevoidsort(RanItfirst,RanItlast);ofindtemplateInItfind(InItfirst,InItlast,constT&val);obinary_search折半查找，要求容器已经有序templateboolbinary_search(FwdItfirst,FwdItlast,constT&val);66intmain()constintSIZE=10;inta1=2,8,1,50,3,100,8,9,10,2;vectorv(a1,a1+SIZE);ostream_iteratoroutput(cout,);vector:iteratorlocation;location=find(v.begin(),v.end(),10);if(location!=v.end()coutendl1)location-v.begin();sort(v.begin(),v.end();if(binary_search(v.begin(),v.end(),9)coutendl3)9found;elsecoutendl 3) 9notfound;return0;输出：输出：(无无sort语句语句)1) 82) 33) 9 not found输出：输出： (有有sort语句语句)1) 82) 33) 9 foundsortosort实际上是快速排序，时间复杂度O(n*log(n);n平均性能最优。但是最坏的情况下，性能可能非常差。如果要保证“最坏情况下”的性能，那么可以使用stable_sortostable_sortnstable_sort实际上是归并排序（将两个已经排序的序列合并成一个序列），特点是能保持相等元素之间的先后次序n在有足够存储空间的情况下，复杂度为n*log(n)，否则复杂度为n*log(n)*log(n)ostable_sort用法和sort相同n排序算法要求随机存取迭代器的支持，所以list不能使用排序算法，要使用list:sort69sortopartial_sort:部分排序，直到前n个元素就位即可onth_element:排序，直到第n个元素就位，并保证比第n个元素小的元素都在第n个元素之前即可opartition:改变元素次序，使符合某准则的元素放在前面o70小结oC+模板n函数模板oSTL库n各种容器n迭代器n算法71STL学习资料o很多资料的汇总网站72