C++ STL中常见的算法使用方式

什么是STL?

STL(Standard Template Library),即标准模板库,是一个具有工业强度的,高效的C++程序库。它被容纳于C++标准程序库(C++ Standard Library)中,是ANSI/ISO C++标准中最新的也是极具革命性的一部分。该库包含了诸多在计算机科学领域里所常用的基本数据结构和基本算法。为广大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。

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;

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;

从逻辑层次来看,在STL中体现了泛型化程序设计的思想,引入了诸多新的名词,比如像需求(requirements),概念(concept),模型(model),容器(container),算法(algorithmn),迭代子(iterator)等。与OOP(object-oriented programming)中的多态(polymorphism)一样,泛型也是一种软件的复用技术;

从实现层次看,整个STL是以一种类型参数化的方式实现的,这种方式基于一个在早先C++标准中没有出现的语言特性--模板(template)。

0. < algorithm> 是什么:

< algorithm> 头文件定义了一组专门用于操作元素范围的函数(designed to be used on ranges of elements)。

所谓“元素范围”指的是可以通过 迭代器 或 指针 进行访问的对象序列,例如数组或某些SLT容器。注意,< algorithm>中的算法通过迭代器直接对值进行操作,不会以任何形式影响任何容器的结构(它永远不会影响容器的大小或存储分配)。

一句话概括:
   < algorithm> 中定义的STL算法通过 “迭代器” 来操作STL容器中的元素,且不会影响容器的结构。

需要注意的事:
   < algorithm> 中的算法的参数迭代器范围一般都是 [first, last),即“前闭后开”区间,last类似于end尾迭代器,指向容器最后一个元素后面的位置。

1. Non-modifying sequence operations:

不会修改容器中元素的顺序的操作:

1.1 find:(Find value in range)

函数原型:

template
InputIterator find(InputIterator first, InputIterator last, const T& val)
{
    while(first != last) {
        if(*first == val) return first;
        ++first;
    } 
    return last;
}

find()函数在给定的迭代器区间[first, last) 中查找值 val
如果val存在,则返回区间内的指向第一个元素的迭代器;
如果val不存在,则返回 last迭代器。

使用举例:

#include 
#include 
#include 
using namespace std;

int main() {

    int myints[] = { 10, 20, 30, 40 };
 	vector myvector(myints, myints + 4);
 	vector::const_iterator it;

 	it = find(myvector.cbegin(), myvector.cend(), 30);
 	if(it != myvector.cend()) {
 		cout << "Element found in myvector: " << *it << '\n';
 	}
 	else {
 		cout << "Element not found in myvector\n";
 	}

    return 0;
}

------
Element found in myvector: 30

注意:find()函数不会修改容器中元素的值,所以可以使用 const_iterator 迭代器,但需要注意返回值、入参的类型必须都是const类型的,否则编译时会因类型匹配报错(报错原因:it = find() 中的 “=” 没有重载)。

时间复杂度:

因为要从first到last的区间遍历,所以时间复杂度是 O(n)

1.2 count:(Count appearances of value in range)

函数原型:

template 
typename iterator_traits::difference_type
count(InputIterator first, InputIterator last, const T& val)
{
    typename iterator_traits::differenct_type ret = 0;
    while(first != last) {
        if(*first == val) ++ret;
        ++first;
    }
    return ret;
}

count() 函数在给定的迭代器区间 [first, last) 中统计参数 val出现的次数,返回统计到的个数。

使用举例:

#include 
#include 
#include 
using namespace std;

int main() {

    int myints[] = { 10,20,30,30,20,10,10,20 };
 	vector myvector(myints, myints + sizeof(myints)/sizeof(int));

 	int mycount = count(myvector.cbegin(), myvector.cend(), 10);
 	cout << "10 appears times: " << mycount << '\n';

    return 0;
}

------
10 appears times: 3

时间复杂度:
count()函数同样需要遍历整个容器,所以时间复杂度是 O(n)

1.3 equal:(Test whether the elements in two ranges are equal)

函数原型:

template 
bool equal(InputIterator1 first1, InputIterator1 last1, InputIterator2 first2)
{
    while(first1 != last1) {
        if(*first1 != *first2) return false;
        ++first1;
        ++first2;
    }
    return true;
}

//使用自定义的比较函数的equal()版本:
bool equal(InputIterator1 first1, InputIterator1 last1, InputIterator first2, bool func) {}

比较两个容器中指定范围的值是否相等,返回bool值。

equal()函数有两种重载形式,接收三个参数的版本使用 operator= 对两个容器中的元素进行比较;接受四个参数的版本可使用自定义的比较函数。

使用举例:

#include 
#include 
#include 
using namespace std;

bool mypredicate(int i, int j) {
	return (i == j);
}

int main() {

    int myints[] = { 20,40,60,80,100 };
 	vector myvector(myints, myints + sizeof(myints)/sizeof(int));

 	//接受三个参数的equal版本,使用 operator= 进行比较:
    if( equal(myvector.cbegin(), myvector.cend(), myints) ) {
        cout << "The contents of both sequences are equal.\n";
    }
    else {
    	cout << "The contents of both sequences differ.\n";
    }
 	
    //接受四个参数的equal版本,使用自定义的比较函数:
    if( equal(myvector.cbegin(), myvector.cend(), myints, mypredicate) ) {
    	cout << "The contents of both sequences are equal.\n";
    }
    else {
		cout << "The contents of both sequences differ.\n";    	
    }

    return 0;
}

------
The contents of both sequences are equal.
The contents of both sequences are equal.

时间复杂度:

同样需要遍历迭代器范围的容器内容,所以时间复杂度是 O(n)

1.4 search:(Search range for subsequence)

函数原型:

//equality (1)	
template 
   ForwardIterator1 search (ForwardIterator1 first1, ForwardIterator1 last1,
                            ForwardIterator2 first2, ForwardIterator2 last2);
//predicate (2)	
template 
   ForwardIterator1 search (ForwardIterator1 first1, ForwardIterator1 last1,
                            ForwardIterator2 first2, ForwardIterator2 last2,
                            BinaryPredicate pred);

find()函数是用于在一个范围内查找某一个元素是否存在,search()函数是用于一个范围内查找一个一连串的元素是否存在。

find()函数同样存在两个版本:使用 operator=进行比较的版本 及 使用自定义方法进行比较的版本。

返回值:如果找到,则返回指向找到的范围内的第一元素的迭代器;如果未找到,则返回last1。

使用举例:

#include 
#include 
#include 
using namespace std;

bool mypredicate(int i, int j) {
	return (i == j);
}

int main() {
    vector haystack;
    for(int i = 1; i < 10; i++) {
    	haystack.push_back(i * 10);		//haystack: 10,20,30,40,50,60,70,80,90
    }
    
    int needle[] = { 40,50,60,70 };

    vector::const_iterator it;
    it = search(haystack.cbegin(), haystack.cend(), needle, needle + sizeof(needle)/sizeof(int));
    if(it != haystack.cend()) {
    	cout << "needle found at position: " << (it - haystack.cbegin()) << '\n';
    }
    else {
    	cout << "needle not found\n"; 
    }

    //方式二,使用自定义的比较函数:
    it = search(haystack.cbegin(), haystack.cend(), needle, needle + sizeof(needle)/sizeof(int), mypredicate);
    if(it != haystack.cend()) {
    	cout << "needle found at position: " << (it - haystack.cbegin()) << '\n';
    }
    else {
    	cout << "needle not found\n"; 
    }

    return 0;
    
}

------
needle found at position: 3
needle found at position: 3

时间复杂度:
O(n2).

2. Modifying sequence operations:

会修改容器中元素顺序的操作:

2.1 copy:(Copy range of elements)

函数原型:

template 
  OutputIterator copy (InputIterator first, InputIterator last, OutputIterator result);

作用相当于:

template
  OutputIterator copy (InputIterator first, InputIterator last, OutputIterator result)
{
	while (first != last) {
		*result = *first;
		++result; ++first;
	}
	return result;
}

[first, last) 范围到的源数据 拷贝到 result 指定的目标位置,返回值是目标位置的末尾迭代器(An iterator to the end of the destination range where elements have been copied)。

使用举例:

#include 
#include 
#include 
using namespace std;

int main() {
    int myints[] = { 10, 20, 30, 40, 50, 60, 70 };
    vector myvector(7);

    copy(myints, myints + 7, myvector.begin());

    cout << "myvector contains: ";
    for(vector::const_iterator it = myvector.cbegin(); it != myvector.cend(); ++it) {
    	cout << *it << ' ';
    }
    cout << '\n';
	return 0;
}

------
myvector contains: 10 20 30 40 50 60 70 

时间复杂度:
O(n).

2.2 move:(move range of elements)

函数原型:

template 
  OutputIterator move (InputIterator first, InputIterator last, OutputIterator result);

作用相当于:

template
  OutputIterator move (InputIterator first, InputIterator last, OutputIterator result)
{
	while (first != last) {
		*result = std::move(*first);
		++result; ++first;
	}
	return result;
}

move()函数的作用是将 [first, last) 区间内的元素 “移动” 到 result 指定的目标位置。

移动后,源位置 [first, last) 的状态是“未指定但有效的状态”(in an unspecified but valid state),这个作用类似于 移动构造函数中使用的 std::move 函数的效果,事实上 STL中的move函数中也确实调用了 单个参数的 std::move 函数版本。

“未指定但有效的状态” 可以理解为空间上的元素因为被移走已经为空,但对其求 sizeof 大小仍在。

使用举例:

#include 
#include 
#include 
using namespace std;

int main() {
	string array[] = { "air", "water", "fire", "earth" };
    vector foo(array, array + 4);
    vector bar(4);

    move(foo.begin(), foo.end(), bar.begin());

    cout << "foo.size(): " << foo.size() << "; " << "bar.size(): " << bar.size() << ".\n"; 

    cout << "foo content: "; 
    for(auto &r : foo) 
    	cout << r << ' ';
    cout << '\n';

    cout << "bar content: ";
    for(auto &r : bar) 
    	cout << r << ' ';
    cout << '\n';

	return 0;
}

------
foo.size(): 4; bar.size(): 4.
foo content:     
bar content: air water fire earth 

时间复杂度:
O(n).

2.3 fill:(Fill range with value)

函数原型:

template 
  void fill (ForwardIterator first, ForwardIterator last, const T& val);

fill()函数的作用是将 [first, last) 范围内容器的值全部填写为 val

fill()函数的返回值是none(void函数)。

使用举例:

#include 
#include 
#include 
using namespace std;

int main() {
	vector myvector(8);
    fill(myvector.begin(), myvector.end(), 5);

    cout << "after fill myvector content: ";
    for(vector::const_iterator it = myvector.begin(); it != myvector.end(); ++it) {
    	cout << *it << ' ';
    }
    cout << '\n';

	return 0;
}

------
after fill myvector content: 5 5 5 5 5 5 5 5```


**时间复杂度:**
O(n).


## 2.6 remove:(Remove value from range)

## 2.7 reverse:(Reverse range)

**函数原型:**
```cpp
template 
  void reverse (BidirectionalIterator first, BidirectionalIterator last);

reverse()函数的作用是将区间 [first, last) 内的元素在容器内的顺序进行反转。

reverse()函数的返回值是 none(void函数)。

使用举例:

#include 
#include 
#include 
using namespace std;

int main() {
	int array[] = { 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9 };
	vector myvector(array, array + sizeof(array)/sizeof(int));

	reverse(myvector.begin(), myvector.end());

	cout << "after reverse myvector content: ";
    for(vector::const_iterator it = myvector.cbegin(); it != myvector.cend(); ++it) {
    	cout << *it << ' ';
    }
    cout << '\n';
	return 0;
}

3. Partitions:

分区:

3.1 partition:(Partition range in two)

函数原型:

template 
  ForwardIterator partition (ForwardIterator first, ForwardIterator last, 
  							 UnaryPredicate pred);

partition() 函数的作用是将 [first, last) 范围内的容器元素 按照自定义的方法 pred 进行分区(分成 两个部分),返回值是指向第二部分分区的首元素的迭代器。

使用举例:

#include 
#include 
#include 
using namespace std;

bool IsOdd(int i) {
    return ( (i%2) ==1 );
}

int main() {
	int array[] = { 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9 };
	vector myvector(array, array + sizeof(array)/sizeof(int));

	vector::iterator bound;
    bound = partition(myvector.begin(), myvector.end(), IsOdd);

    cout << "after partition myvector content: ";
    for(vector::iterator it = myvector.begin(); it != myvector.end(); ++it) {
    	cout << *it << ' ';
    }
    cout << '\n';

    cout << "the second partition content: ";
    for(vector::iterator it = bound; it != myvector.end(); ++it) {
    	cout << *it << ' ';
    }
    cout << '\n';

	return 0;
}

------
1 9 3 7 5 6 4 8 2 
6 4 8 2 

4. Sorting:

排序:

4.1 sort:(Sort elements in range)

函数原型:

//default (1)	
template 
  void sort (RandomAccessIterator first, RandomAccessIterator last);

//custom (2)	
template 
  void sort (RandomAccessIterator first, RandomAccessIterator last, Compare comp);

sort() 函数的作用是将 [first, last) 范围内的元素进行排序,默认的排序方式为 operator<(即“从小到大”排序),也可以接受自定义的排序方式 comp

使用举例:

#include 
#include 
#include 
using namespace std;

bool myfunction(int i, int j) {
	return ( i > j );
}

int main() {
	int array[] = { 32, 71, 12, 45, 26, 80, 53, 33 };
	vector myvector(array, array + sizeof(array)/sizeof(int));

	sort(myvector.begin(), myvector.end());

    cout << "after sort myvector content: ";
	for(auto &r : myvector) 
		cout << r << ' ';
	cout << '\n';

	sort(myvector.begin(), myvector.end(), myfunction);
    cout << "after another sort myvector content: ";
	for(auto &r : myvector) 
		cout << r << ' ';
	cout << '\n';

	return 0;
}

------
after sort myvector content: 12 26 32 33 45 53 71 80 
after another sort myvector content: 80 71 53 45 33 32 26 12 

5. Binary Search(operating on partitioned/sorted ranges):

二分查找:

5.1 binary_search:

函数原型:

//default (1)	
template 
  bool binary_search (ForwardIterator first, ForwardIterator last,
                      const T& val);
//custom (2)	
template 
  bool binary_search (ForwardIterator first, ForwardIterator last,
                      const T& val, Compare comp);

6. Merge(operating on sorted ranges):

合并:

6.1 merge:

函数原型:

//default (1)	
template 
  OutputIterator merge (InputIterator1 first1, InputIterator1 last1,
                        InputIterator2 first2, InputIterator2 last2,
                        OutputIterator result);

//custom (2)	
template 
  OutputIterator merge (InputIterator1 first1, InputIterator1 last1,
                        InputIterator2 first2, InputIterator2 last2,
                        OutputIterator result, Compare comp);

merge() 函数的作用是将 [first1, last1)区间 及 [first2, last2) 区间的容器元素合并到一起,合并后的结果存储到 result指定的位置上。 merge() 默认的合并顺序为 operator< (从小到大),也可接受用户自定义的排序方式 comp

merge() 函数必须在 sort() 的基础上进行合并,否则合并的结果会出现乱序。且sort()与merge() 的排序算法必须保持一致,即都使用 operator< 或相同的 comp函数。

merge()函数返回值是合并后的容器的尾迭代器(容器最后一个元素的后面的位置)。

使用举例:

#include 
#include 
#include 
using namespace std;

int main() {
	int first[] = { 5, 10, 15, 20, 25 };
	int second[] = { 50, 1, 2, 3, 4 };
	vector result(10);

	sort(first, first + 5);
	sort(second, second + 5);
	vector::iterator it = merge(first, first + 5, second, second + 5, result.begin());

    for(vector::iterator iter = result.begin(); iter != it; iter++) {
    	cout << *iter << ' ';
    }
    cout << '\n';

	return 0;
}

------
1 2 3 4 5 10 15 20 25 50 

7. Heap:

堆操作:

8. Min/max:

求最大/最小值,可接受用户指定的比较方法

到此这篇关于C++ STL中常见的算法使用方式的文章就介绍到这了,更多相关C++ STL算法内容请搜索脚本之家以前的文章或继续浏览下面的相关文章希望大家以后多多支持脚本之家!

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