【C++100问】深度总结STL基本容器的使用

专栏C++学习笔记

声明

1）本文仅供学术交流，非商用。
2）博主才疏学浅，文中如有不当之处，请各位指出，共同进步，谢谢。
3）此属于第一版本，若有错误，还需继续修正与增删，还望大家多多指点。
4）大家都共享一点点，一起为祖国科研的推进添砖加瓦。

文章目录

• 专栏C++学习笔记
• 声明
• 〇、前言
• 一、C++库引用（Import C++ Library）
• 二、STL（Standard Template Library）
• 三、容器（Containers）
• 四、顺序容器（Sequence containers）
• 4.1）常用操作（共同点）
• 1_添加元素
• 2_访问元素
• 3_删除元素
• 4_改变容器大小
• 5_容器操作可能使迭代器失效
• 4.2）向量（vector）
• 1_定义和初始化：
• 2_简单vector操作
• 3_关键概念: vector对象能高效增长
• 4_实例
• 4.3）双端队列（deque）
• 1_实例
• 4.4）列表（list）
• 1_实例
• 4.5）字符串（string）
• 1_定义和初始化：
• 2_简单vector操作
• 3_处理字符
• 4_额外操作
• 5_实例
• 4.6）容器选择
• 五、关联容器（Associative containers）
• 5.1）常用操作（共同点）
• 1_类型别名
• 2_添加元素
• 3_删除元素
• 4_访问元素
• 5.2）集合（set）和多重集合（multiset）
• 1_实例
• 5.3）映射（map）和多重映射（multimap）
• 1_实例
• 六、适配器（Adaptor）
• 6.1）常用操作（共同点）
• 6.2）栈（stack）
• 1_基本操作
• 2_实例
• 6.3）队列（queue）和优先级队列（priority_queue）
• 1_基本操作
• 七、无序容器（Unordered associative container）
• 7.1）unordered_map/unordered_multimap
• 7.2）unordered_set/unordered_multiset
• 1_常用操作（共同点）
• 八、sizeof、size和capacity
• 九、总结
• 参考文章

〇、前言

近期终于粗略地学习完了C++的STL容器，决心总结一波，以便复习和记录。

因为是初学者，如果有写的不对的地方，还请各位不吝赐教。

以下是学习笔记总目录（更新中ing），和关于容器的章节习题。

• 《C++ Primer》学习笔记/习题答案 总目录

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• 《C++ Primer》学习笔记（三）：字符串、向量和数组
• 《C++ Primer》习题参考答案：第3章 - 字符串、向量和数组
• 《C++ Primer》学习笔记（九）：顺序容器
• 《C++ Primer》习题参考答案：第9章 - 顺序容器
• 《C++ Primer》学习笔记（十一）：关联容器
• 《C++ Primer》习题参考答案：第11章 - 关联容器

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一、C++库引用（Import C++ Library）

众所周知，常用的库引用如下：

#include <iostream>  
#include <cstdio>  
#include <fstream>  
#include <algorithm>  
#include <cmath>  
#include <deque>  
#include <vector>  
#include <queue>  
#include <string>  
#include <cstring>  
#include <map>  
#include <stack>  
#include <set>  

有些太多，所以有了一个新奇的方法：

#include <bits/stdc++.h>

一行代码解决一系列代码，方便！

其中 bits/stdc++.h 源码如下：

// C++ includes used for precompiling -*- C++ -*-

// Copyright (C) 2003-2014 Free Software Foundation, Inc.
//
// This file is part of the GNU ISO C++ Library.  This library is free
// software; you can redistribute it and/or modify it under the
// terms of the GNU General Public License as published by the
// Free Software Foundation; either version 3, or (at your option)
// any later version.

// This library is distributed in the hope that it will be useful,
// but WITHOUT ANY WARRANTY; without even the implied warranty of
// MERCHANTABILITY or FITNESS FOR A PARTICULAR PURPOSE.  See the
// GNU General Public License for more details.

// Under Section 7 of GPL version 3, you are granted additional
// permissions described in the GCC Runtime Library Exception, version
// 3.1, as published by the Free Software Foundation.

// You should have received a copy of the GNU General Public License and
// a copy of the GCC Runtime Library Exception along with this program;
// see the files COPYING3 and COPYING.RUNTIME respectively.  If not, see
// <http://www.gnu.org/licenses/>.

/** @file stdc++.h
 *  This is an implementation file for a precompiled header.
 */

// 17.4.1.2 Headers

// C
#ifndef _GLIBCXX_NO_ASSERT
#include <cassert>
#endif
#include <cctype>
#include <cerrno>
#include <cfloat>
#include <ciso646>
#include <climits>
#include <clocale>
#include <cmath>
#include <csetjmp>
#include <csignal>
#include <cstdarg>
#include <cstddef>
#include <cstdio>
#include <cstdlib>
#include <cstring>
#include <ctime>

#if __cplusplus >= 201103L
#include <ccomplex>
#include <cfenv>
#include <cinttypes>
#include <cstdalign>
#include <cstdbool>
#include <cstdint>
#include <ctgmath>
#include <cwchar>
#include <cwctype>
#endif

// C++
#include <algorithm>
#include <bitset>
#include <complex>
#include <deque>
#include <exception>
#include <fstream>
#include <functional>
#include <iomanip>
#include <ios>
#include <iosfwd>
#include <iostream>
#include <istream>
#include <iterator>
#include <limits>
#include <list>
#include <locale>
#include <map>
#include <memory>
#include <new>
#include <numeric>
#include <ostream>
#include <queue>
#include <set>
#include <sstream>
#include <stack>
#include <stdexcept>
#include <streambuf>
#include <string>
#include <typeinfo>
#include <utility>
#include <valarray>
#include <vector>

#if __cplusplus >= 201103L
#include <array>
#include <atomic>
#include <chrono>
#include <condition_variable>
#include <forward_list>
#include <future>
#include <initializer_list>
#include <mutex>
#include <random>
#include <ratio>
#include <regex>
#include <scoped_allocator>
#include <system_error>
#include <thread>
#include <tuple>
#include <typeindex>
#include <type_traits>
#include <unordered_map>
#include <unordered_set>
#endif

不过 VS 会报错，网上解决办法一大堆，这里就不过多赘述了。

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二、STL（Standard Template Library）

1. STL（Standard Template Library），中文名 标准模板库，是一个高效的C++程序库，包含很多常用的 基本数据结构 和 基本算法，为C++程序员们提供了一个可扩展的应用框架，高度体现了软件的可复用性。
2. 从逻辑层次来看，在STL中体现了 泛型编程思想（generic programming）。
3. 从实现层次看，整个STL是以一种 类型参数化（type parameterized） 的方式实现的。

STL有六大组件（容器(containers)、迭代器(iterators)、空间配置器(allocator)、配接器(adapters)、算法(algorithms)、仿函数(functors)）。

但主要是容器、迭代器和算法三个部分：

• 容器（Containers）：用来管理某类对象的集合。对最常用的数据结构提供了支持，每一种容器都有其优点和缺点，为了应付程序中的不同需求。
• 迭代器（Iterators）：用来在一个对象集合的元素上进行遍历动作。这个对象集合或许是个容器，或许是容器的一部分，每种容器都提供了了解该种容器内部结构的迭代器。
• 算法（Algorithms）：用来处理对象集合中的元素。通过所有容器的迭代器提供一致的接口，可以多次复用算法于任意容器之上。

STL 的基本观念就是将数据和操作分离。

• 数据由 容器 进行管理;
• 操作由 算法进行;
• 而 迭代器 在两者之间充当粘合剂，使任何 算法 都可以和任何 容器 交互运作。

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三、容器（Containers）

一个容器就是一些特定类型对象的集合，是用来管理某类对象的，从C++11标准以来，C++中STL定义的几种容器的效率非常高，优化的非常好，完全没有必要自己去定义类似的数据结构，了解使用它们，可以满足90%的日常编程需要！本文是 基于C++11标准，基于《C++primer》参考 完成的。

常用的STL基本容器类型分为四类：

• 顺序容器（Sequence containers），为程序员提供了控制元素存储和访问顺序的能力。顺序性容器中的每个元素均有固定的位置，取决于插入时机和地点，和元素值无关，除非用删除或插入的操作改变这个位置。
  

• 关联容器（Associative containers），支持高效的关键字查找和访问操作。关联容器中各元素间没有严格的物理顺序，取决于特定的排序准则以及元素值，和插入次序无关，元素是有序的集合。默认情况下，标准库使用关键字类型的 < 运算符来进行比较操作。
  

• 无序容器（Unordered associative container），使用 哈希函数 和关键字类型的 == 运算符组织元素。在关键字类型的元素没有明显的序关系的情况下，无序容器是非常有用的。在某些应用中，维护元素的序代价非常高昂， 此时无序容器也很有用。使用无序容器通常更为简单(通常也会有更好的性能) 。

• 容器适配器（Adaptor），是标准库中的一个通用概念，容器、迭代器和函数都有适配器。本质上，一个适配器是一种机制，能使某种事物的行为看起来像另外一种事物一样的一种机制。适配器是容器的接口，它本身不能直接保存元素，它保存元素的机制是调用另一种顺序容器去实现，即可以把适配器看作"它保存一个容器，这个容器再保存所有元素"。

其中，STL 提供的 最常用的：

• 四个 顺序容器：
  • 向量（vector）；
  • 双端队列（deque）；
  • 列表（list）；
  • 字符串（string）；
• 四个 关联容器：
  • 集合（set）；多重集合（multiset）；
  • 映射（map）；多重映射（multimap）；
• 三种 适配器：
  • 栈（stack）；
  • 队列（queue）；
  • 优先级队列（priority_queue）；
• 四种 无序容器：
  • unordered_map；
  • unordered_multimap；
  • unordered_set；
  • unordered_multiset；

容器类自动申请和释放内存，因此无需new和delete操作。

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四、顺序容器（Sequence containers）

4.1）常用操作（共同点）

1_添加元素

2_访问元素

3_删除元素

4_改变容器大小

5_容器操作可能使迭代器失效

向容器中添加或删除元素可能会使指向容器元素的指针、引用或迭代器失效。失效的指针、引用或迭代器不再表示任何元素，使用它们是一种严重的程序设计错误。

• 向容器中添加元素后：
  • 如果容器是 vector 或 string 类型，且存储空间被重新分配，则指向容器的迭代器、指针和引用都会失效。如果存储空间未重新分配，指向插入位置之前元素的迭代器、指针和引用仍然有效，但指向插入位置之后元素的迭代器、指针和引用都会失效。
  • 如果容器是 deque 类型，添加到除首尾之外的任何位置都会使迭代器、指针和引用失效。如果添加到首尾位置，则迭代器会失效，而指针和引用不会失效。
  • 如果容器是 list 或 forward_list 类型，指向容器的迭代器、指针和引用仍然有效。
• 从容器中删除元素后，指向被删除元素的迭代器、指针和引用失效：
  • 如果容器是 list 或 forward_list 类型，指向容器其他位置的迭代器、指针和引用仍然有效。
  • 如果容器是 deque 类型，删除除首尾之外的任何元素都会使迭代器、指针和引用失效。如果删除尾元素，则尾后迭代器失效，其他迭代器、指针和引用不受影响。如果删除首元素，这些也不会受影响。
  • 如果容器是 vector 或 string 类型，指向删除位置之前元素的迭代器、指针和引用仍然有效。但尾后迭代器总会失效。

4.2）向量（vector）

vector（向量）：事实上和数组差不多，但比数组更优越，一般来说数组不能动态拓展，因此在程序运行的时候不是浪费内存，就是造成越界，而 vector 正好弥补了这个缺陷，它的特征是相当于可变大小的数组（动态数组）。由于元素是连续存储的，随机访问快，在末端插入和删除快，但在中间插入和删除慢。

优缺点：

优点：支持随机访问，即 [] 操作和 .at()，查询效率高。
 
缺点：当向头部或中部，插入或删除元素，插入效率低。

需要导入头文件 #include <vector>。

1_定义和初始化：

2_简单vector操作

3_关键概念: vector对象能高效增长

C++标准要求 vector 应该能在运行时高效快速地添加元素，因此定义 vector 对象的大小没有必要，事实上性能可能更差，只有一种例外情况，就是所有元素的值都一样！一旦元素的值有所不同，更有效的办法是先定义一个空的 vector 对象，再在运行时向其中添加具体值。

开始的时候创建空的 vector 对象，在运行时再动态添加元素，这一做法与C语言及其他大多数语言中内置数组类型的用法不同，特别是如果用惯了C或者Java，可以预计在创建 vector 对象时顺便指定其容量是最好的，然而事实上，通常的情况是恰恰相反。

4_实例

#include <iostream>
#include <vector>
using namespace std;
int main()
{
	vector<int> ivec1;
	for (int i = 0; i<9; i++)
		ivec1.push_back(i);
	cout << ivec1.size() << endl;
	for (int i = 0; i<ivec1.size(); i++)
		cout << ivec1[i] << " ";
	cout << endl;

	system("pause");
	return 0;
}

4.3）双端队列（deque）

deque（双端队列）：是一个更为复杂的数据结构，最大任务就是在这些分段的连续空间上，维护其整体连续的假象，并提供随机存取的接口。与 vector 类似，随机访问快，不过是在两端插入和删除快，但在中间插入和删除慢。

优缺点：

优点：支持随机访问，即 [] 操作和 .at()，查询效率高；当向两端，插入或删除元素，插入效率高。
 
缺点：当向中部，插入或删除元素，插入效率低。

需要导入头文件 #include <deque>

1_实例

#include <iostream>
#include <deque>
using namespace std;
int main()
{
	deque<int> ideq1;
	for (int i = 0; i<9; i++)
		ideq1.push_back(i);
	cout << ideq1.size() << endl;
	for (int i = 0; i<ideq1.size(); i++)
		cout << ideq1[i] << " ";
	cout << endl;

	system("pause");
	return 0;
}

4.4）列表（list）

list（列表）：由 deque 实现而成，元素也存放在堆中。设计目的是令容器任何位置的添加和删除操作都很快速，作为代价不支持元素的随机访问——为了访问一个元素，只能遍历整个容器。

优缺点：

优点：内存不连续，动态操作，可在任意位置插入或删除且效率高。
 
缺点：不支持随机访问。

需要导入头文件 #include <list>

1_实例

#include <iostream>
#include <list>
using namespace std;
int main(int argc, char* argv[])
{
	list<char> ilist;
	for (char c = 'a'; c <= 'z'; ++c)
		ilist.push_back(c);
	cout << ilist.size() << endl;
	while (!ilist.empty())
	{
		cout << ilist.front() << " ";
		ilist.pop_front();
	}
	system("pause");
	return 0;
}

4.5）字符串（string）

string（字符串）：表示可变长的字符序列，事实上和 vector 差不多。由于元素是连续存储的，随机访问快，在末端插入和删除快，但在中间插入和删除慢。

优缺点：

优点：支持随机访问，即 [] 操作和 .at()，查询效率高。
 
缺点：当向头部或中部，插入或删除元素，插入效率低。

需要导入头文件 #include <string>。

1_定义和初始化：

2_简单vector操作

3_处理字符

4_额外操作

5_实例

#include <iostream>
#include <string>
using namespace std;
int main()
{
	string ivec1;
	for (int i = 0; i<9; i++)
		ivec1.push_back('i');
	cout << ivec1.size() << endl;
	for (int i = 0; i<ivec1.size(); i++)
		cout << ivec1[i] << " ";
	cout << endl;

	system("pause");
	return 0;
}

4.6）容器选择

容器选择原则：

• 除非有合适的理由选择其他容器，否则应该使用 vector。
• 如果程序有很多小的元素，且空间的额外开销很重要，则不要使用 list 或 forward_list。
• 如果程序要求随机访问容器元素，则应该使用 vector 或 deque。
• 如果程序需要在容器头尾位置插入/删除元素，但不会在中间位置操作，则应该使用 deque。
• 如果程序只有在读取输入时才需要在容器中间位置插入元素，之后需要随机访问元素。则：
  • 先确定是否真的需要在容器中间位置插入元素。当处理输入数据时，可以先向 vector 追加数据，再调用标准库的 sort 函数重排元素，从而避免在中间位置添加元素。
  • 如果必须在中间位置插入元素，可以在输入阶段使用 list。输入完成后将 list 中的内容拷贝到 vector 中。
• 不确定应该使用哪种容器时，可以先只使用 vector 和 list 的公共操作：使用迭代器，不使用下标操作，避免随机访问。这样在必要时选择 vector 或 list 都很方便。

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五、关联容器（Associative containers）

5.1）常用操作（共同点）

1_类型别名

2_添加元素

3_删除元素

4_访问元素

5.2）集合（set）和多重集合（multiset）

set（集合）：由红黑树实现，其中每个元素只包含一个关键字并依据其值自动排序，支持高效的关键字查询操作，每个元素值只能出现一次，不允许重复。插入和删除效率比用其他序列容器高，因为对于关联容器来说，不需要做内存拷贝和内存移动。

multiset（多重集合）：唯一的区别是插入的元素可以相同。

优缺点：

优点：关键字查询高效，且元素唯一，以及能自动排序。
 
缺点：每次插入值的时候，都需要调整红黑树，效率有一定影响。

需要导入头文件 #include <set>。

1_实例

#include <iostream>
#include <set>
using namespace std;
int main(int argc, char* argv[])
{
	set<int> iset;
	iset.insert(3);
	iset.insert(1);
	iset.insert(2);
	iset.insert(1);
	set<int>::iterator it;
	cout << iset.size() << endl;
	for (it = iset.begin(); it != iset.end(); it++)
	{
		cout << *it << " ";
	}
	cout << endl;
	system("pause");
	return 0;
}

5.3）映射（map）和多重映射（multimap）

map（映射）：由红黑树实现，其中每个元素都是一些 键值对（key-value）：关键字起索引作用，值表示与索引相关联的数据。每个元素有一个键，是排序准则的基础。每一个键只能出现一次，不允许重复。插入和删除效率比用其他序列容器高，因为对于关联容器来说，不需要做内存拷贝和内存移动。

multimap（多重映射）：唯一的区别是插入的元素（值）可以相同，即同一个键可以对应多个值。

优缺点：

优点：关键字查询高效，且元素唯一，以及能自动排序。把一个值映射成另一个值，可以创建字典。
 
缺点：每次插入值的时候，都需要调整红黑树，效率有一定影响。

需要导入头文件 #include <map>。

1_实例

#include <iostream>
#include <map>
#include <string>
using namespace std;
int main(int argc, char* argv[])
{
	map<int, string> imap;
	imap.insert({ 3, "张三" });
	imap.insert({ 4, "李四" });
	imap.insert({ 1, "王二麻子" });
	imap.insert({ 2, "小淘气" });
	map<int, string>::iterator it;
	for (it = imap.begin(); it != imap.end(); it++)
	{
		printf("学号：%d 姓名：%s
", (*it).first, (*it).second.c_str());
	}
	system("pause");
	return 0;
}

---

六、适配器（Adaptor）

6.1）常用操作（共同点）

6.2）栈（stack）

stack（栈）：LIFO（后进先出）。

需要导入头文件 #include <stack>。

1_基本操作

2_实例

《C++ Primer》习题参考答案：第9章 - 顺序容器 最后一题。

6.3）队列（queue）和优先级队列（priority_queue）

queue（队列）：FIFO（先进先出），即普通的缓冲区（buffer）。

priority_queue（优先级队列）：基于程序员提供的排序准则定义不同的优先权。

需要导入头文件 #include <queue>。

1_基本操作

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七、无序容器（Unordered associative container）

7.1）unordered_map/unordered_multimap

7.2）unordered_set/unordered_multiset

无序容器：在关键字类型的元素没有明显的序关系的情况下，无序容器是非常有用的。在某些应用中，维护元素的序代价非常高昂， 此时无序容器也很有用。事实上使用无序容器通常更为简单(通常也会有更好的性能) 。如果关键字类型固有就是无序的，或者性能测试发现问题可以用哈希技术解决，就可以使用无序容器。

1_常用操作（共同点）

通常可以用一个无序容器替换对应的有序容器，反之亦然。但是输出（通常）会不同。

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八、sizeof、size和capacity

• sizeof 操作符统计的是容器 vector<int> 的大小；
• size() 操作符统计的是容器（vector）内元素的大小；
• capacity 操作符统计的是容器（vector）能存储的容量大小。

#include <iostream>
#include <vector>
using namespace std;
int main(int argc, char* argv[])
{
	vector<int> ivec;
	cout << sizeof(ivec) << endl;
	cout << ivec.size() << endl;
	cout << ivec.capacity() << endl;
	for (int i = 0; i<10; i++)
		ivec.push_back(1);
	cout << sizeof(ivec) << endl;
	cout << ivec.size() << endl;
	cout << ivec.capacity() << endl;
	system("pause");
	return 0;
}

另外：

• reserve() 操作符统计的是指定容器内能存储元素的数量；
• resize() 操作符统计的是重新指定容器内有效元素的数量；

九、总结

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参考文章

• 《C++primer》第五版
• 《C++ Primer》学习笔记（十一）：关联容器
• 《C++ Primer》学习笔记（九）：顺序容器
• 《C++ Primer》习题参考答案：第9章 - 顺序容器
• 《C++ Primer》学习笔记（三）：字符串、向量和数组
• https://en.cppreference.com/w/cpp/container