十四天学会C++之第七天：STL（标准模板库）

1. STL容器

• 什么是STL容器，为什么使用它们。
• 向量（vector）：使用向量存储数据。
• 列表（list）：使用列表实现双向链表。
• 映射（map）：使用映射实现键值对存储。

什么是STL容器？

STL容器是一种用于存储和管理数据的C++模板类，它们提供了多种数据结构，以满足不同的需求。STL容器分为序列容器（Sequence Containers）和关联容器（Associative Containers）两大类。序列容器类似于数组，关联容器则基于键值对存储数据。

向量（vector）

向量是序列容器中最常用的之一，它类似于动态数组。它具有自动扩展和收缩的能力，因此可以根据需要存储任意数量的元素。

#include <vector>
#include <iostream>int main() {std::vector<int> myVector;  // 创建一个整数向量// 向向量中添加元素myVector.push_back(1);myVector.push_back(2);myVector.push_back(3);// 遍历并输出向量中的元素for (int i : myVector) {std::cout << i << " ";}return 0;
}

列表（list）

列表是双向链表的实现，提供了高效的插入和删除操作。与向量不同，列表的元素在内存中不是连续存储的，因此适用于需要频繁插入和删除操作的情况。列表的简单示例：

#include <list>
#include <iostream>int main() {std::list<std::string> myList;  // 创建一个字符串列表// 向列表中添加元素myList.push_back("Hello");myList.push_back("World");myList.push_front("C++");// 遍历并输出列表中的元素for (const std::string& str : myList) {std::cout << str << " ";}return 0;
}

映射（map）

映射是关联容器，它将键与值关联起来，允许通过键快速查找对应的值。这在需要构建字典、查找表或关系映射时非常有用。以下是一个映射的简单示例：

#include <map>
#include <iostream>int main() {std::map<std::string, int> myMap;  // 创建一个字符串到整数的映射// 向映射中添加键值对myMap["apple"] = 5;myMap["banana"] = 3;myMap["cherry"] = 8;// 查找并输出映射中的值std::cout << "The number of bananas is: " << myMap["banana"] << std::endl;return 0;
}

STL容器的强大功能使它们成为C++开发中不可或缺的一部分。无论你的项目规模如何，STL都提供了各种工具，用于有效地管理和操作数据，让代码更加高效和可维护。

2. STL算法

• 什么是STL算法，它们的作用。
• 排序算法：介绍STL的排序算法。
• 查找算法：介绍STL的查找算法。
• 使用STL算法来处理容器中的数据。

什么是STL算法？

STL算法是一组通用的、可复用的算法，它们独立于特定的容器类型，可以用于处理各种数据结构。STL算法可以显著提高代码的可读性和可维护性，同时还能提供高效的性能。

排序算法

STL提供了多种排序算法，其中最常用的是std::sort()函数，它可以对容器中的元素进行升序排序。排序算法：

#include <algorithm>
#include <vector>
#include <iostream>int main() {std::vector<int> numbers = {5, 2, 8, 1, 9};// 使用std::sort()对向量进行升序排序std::sort(numbers.begin(), numbers.end());// 输出排序后的结果for (int num : numbers) {std::cout << num << " ";}return 0;
}

查找算法

STL还提供了多种查找算法，其中包括std::find()函数，它可以在容器中查找指定的元素。

#include <algorithm>
#include <vector>
#include <iostream>int main() {std::vector<int> numbers = {5, 2, 8, 1, 9};int target = 8;// 使用std::find()在向量中查找目标元素auto result = std::find(numbers.begin(), numbers.end(), target);// 检查查找结果if (result != numbers.end()) {std::cout << "Found " << target << " at position " << (result - numbers.begin()) << std::endl;} else {std::cout << target << " not found." << std::endl;}return 0;
}

使用STL算法处理容器中的数据

STL算法通常以迭代器作为参数，因此它们可以应用于各种容器，如向量、列表、映射等。这使得算法非常通用和灵活。你可以使用std::for_each()、std::transform()等算法来遍历容器中的元素，执行自定义的操作。

3. 自定义模板

• 什么是模板，为什么使用模板。
• 函数模板：创建可以处理不同数据类型的通用函数。
• 类模板：创建可以处理不同数据类型的通用类。

什么是模板？

模板是一种通用的代码蓝图，它允许你编写可以处理不同数据类型的代码。C++中有两种主要类型的模板：函数模板和类模板。

函数模板

函数模板允许你编写通用的函数，这些函数可以接受不同类型的参数。函数模板的定义以template关键字开始，后跟模板参数列表和函数声明。

简单的函数模板，用于交换两个值：

template <typename T>
void swapValues(T &a, T &b) {T temp = a;a = b;b = temp;
}int main() {int x = 5, y = 10;double a = 3.14, b = 2.71;swapValues(x, y);  // 交换整数swapValues(a, b);  // 交换双精度浮点数return 0;
}

函数模板的typename T部分表示模板参数，它可以是任何数据类型。

类模板

类模板允许你编写通用的类，这些类可以处理不同类型的成员变量和成员函数。类模板的定义以template关键字开始，后跟模板参数列表和类定义。

类模板，用于创建通用的栈数据结构：

template <typename T>
class Stack {
public:Stack() : top(-1) {}void push(T item) {if (top < MaxSize - 1) {data[++top] = item;}}T pop() {if (top >= 0) {return data[top--];} else {// 处理栈为空的情况throw std::runtime_error("Stack is empty");}}private:static const int MaxSize = 100;T data[MaxSize];int top;
};int main() {Stack<int> intStack;intStack.push(5);intStack.push(10);int x = intStack.pop();  // 弹出值为10的元素Stack<double> doubleStack;doubleStack.push(3.14);doubleStack.push(2.71);double y = doubleStack.pop();  // 弹出值为2.71的元素return 0;
}

类模板的typename T部分表示模板参数，可以是任何数据类型。

为什么使用模板？

使用模板可以使代码更加通用和灵活，无需为不同的数据类型编写重复的代码。模板还有助于提高代码的可维护性，只需编写一次通用代码，即可适用于多种数据类型。

4. 示例和练习

使用STL容器

使用STL容器的示例代码，演示向量（vector）的用法，包括添加元素、遍历容器和查找元素：

#include <iostream>
#include <vector>int main() {std::vector<int> numbers;  // 创建整数向量// 向向量添加元素numbers.push_back(1);numbers.push_back(2);numbers.push_back(3);// 遍历向量并输出元素for (int num : numbers) {std::cout << num << " ";}// 查找元素是否存在int target = 2;auto it = std::find(numbers.begin(), numbers.end(), target);if (it != numbers.end()) {std::cout << "\n" << target << " found at position " << std::distance(numbers.begin(), it);} else {std::cout << "\n" << target << " not found";}return 0;
}

使用STL算法

使用STL算法的示例代码，演示排序和查找算法的用法：

#include <iostream>
#include <vector>
#include <algorithm>int main() {std::vector<int> numbers = {3, 1, 4, 1, 5, 9, 2, 6, 5, 3};// 排序向量std::sort(numbers.begin(), numbers.end());// 输出排序后的向量for (int num : numbers) {std::cout << num << " ";}// 使用二分查找查找元素int target = 5;if (std::binary_search(numbers.begin(), numbers.end(), target)) {std::cout << "\n" << target << " found";} else {std::cout << "\n" << target << " not found";}return 0;
}

使用模板

使用函数模板的示例代码，如何创建一个通用的函数来比较两个值：

#include <iostream>template <typename T>
bool isEqual(T a, T b) {return a == b;
}int main() {int x = 5, y = 5;double a = 3.14, b = 2.71;if (isEqual(x, y)) {std::cout << "x and y are equal\n";} else {std::cout << "x and y are not equal\n";}if (isEqual(a, b)) {std::cout << "a and b are equal\n";} else {std::cout << "a and b are not equal\n";}return 0;
}

练习题

创建一个向量，存储一组学生的分数，并计算平均分。

#include <iostream>
#include <vector>int main() {std::vector<double> scores; // 创建一个双精度浮点数向量来存储学生的分数// 向向量添加学生分数scores.push_back(85.5);scores.push_back(92.0);scores.push_back(78.5);scores.push_back(88.0);scores.push_back(90.5);// 计算平均分double sum = 0.0;for (double score : scores) {sum += score;}double average = sum / scores.size();// 输出平均分std::cout << "平均分: " << average << std::endl;return 0;
}

运行结果：

解答：

• 首先，包含 <iostream> 和 <vector> 头文件来使用C++的标准输入输出和向量容器。
• 然后，创建一个std::vector<double>类型的向量，用于存储学生的分数。
• 使用 push_back 函数将分数添加到向量中。
• 通过迭代向量中的分数，计算它们的总和并除以向量的大小来获得平均分。
• 最后，输出平均分。

使用STL的列表容器存储一组单词，并按字母顺序排序。

#include <iostream>
#include <list>
#include <algorithm>int main() {std::list<std::string> words; // 创建一个字符串列表来存储单词// 向列表添加单词words.push_back("apple");words.push_back("banana");words.push_back("cherry");words.push_back("date");words.push_back("fig");// 使用STL的排序算法对单词进行排序words.sort();// 遍历并输出排序后的单词for (const std::string& word : words) {std::cout << word << " ";}return 0;
}

运行结果：

解答：

• 包含了 <iostream> 和 <list> 头文件，以便使用C++的标准输入输出和列表容器。
• 然后，创建一个 std::list<std::string> 类型的列表，用于存储单词。
• 使用 push_back 函数将单词添加到列表中。
• 使用 sort 函数对列表中的单词进行字母顺序排序。
• 最后，遍历并输出排序后的单词。

创建一个通用的函数模板，用于计算两个数的最大值。

#include <iostream>template <typename T>
T findMax(T a, T b) {return (a > b) ? a : b;
}int main() {int intMax = findMax(42, 17);double doubleMax = findMax(3.14, 2.71);std::cout << "最大整数值: " << intMax << std::endl;std::cout << "最大双精度浮点数值: " << doubleMax << std::endl;return 0;
}

运行结果：

解答：

• 定义一个通用函数模板 findMax，它可以接受任何类型的参数 a 和 b。
• 函数模板的返回类型也是参数的类型。
• 在 main 函数中，演示如何使用这个模板函数来查找整数和双精度浮点数的最大值。

创建一个类模板，表示二维坐标点，包括x和y坐标。

#include <iostream>template <typename T>
class Point {
public:Point(T x, T y) : x_(x), y_(y) {}void display() const {std::cout << "X坐标: " << x_ << ", Y坐标: " << y_ << std::endl;}private:T x_;T y_;
};int main() {Point<int> intPoint(2, 3);Point<double> doublePoint(1.5, 2.0);std::cout << "整数坐标点：" << std::endl;intPoint.display();std::cout << "双精度浮点数坐标点：" << std::endl;doublePoint.display();return 0;
}

运行结果：

解答：

• 定义一个类模板 Point，它有两个模板参数 typename T，表示x和y坐标的类型。
• 类模板有一个构造函数，可以接受两个参数，分别用于初始化x和y坐标。
• 类模板还有一个成员函数 display，用于显示坐标点的值。
• 在 main 函数中，我们演示了如何创建不同类型的坐标点。

使用STL的映射容器存储学生的姓名和分数，然后按姓名查找分数。

#include <iostream>
#include <map>
#include <string>int main() {std::map<std::string, double> studentScores; // 创建一个映射容器，姓名映射到分数// 向映射容器添加学生和分数studentScores["Alice"] = 90.5;studentScores["Bob"] = 88.0;studentScores["Charlie"] = 92.5;studentScores["David"] = 85.0;// 按姓名查找分数std::string nameToFind = "Bob";if (studentScores.find(nameToFind) != studentScores.end()) {double score = studentScores[nameToFind];std::cout << nameToFind << " 的分数是 " << score << std::endl;} else {std::cout << "找不到学生：" << nameToFind << std::endl;}return 0;
}

运行结果：

解答：

• 使用 std::map 容器来创建一个学生姓名到分数的映射。
• 使用方括号操作符 [] 添加学生和分数的映射。
• 使用 find 函数按姓名查找分数，如果找到，就输出分数；如果找不到，就输出找不到的消息。