# STL 容器 ## index - [概念](#) - [通性](#) - [序列容器](#) - [vector](#) - [deque](#) - [list](#) - [关联容器](#) - [set](#) - [multiset](#) - [map](#) - [multimap](#) - [无序容器](#) - [unordered-set](#unordered-set) - [unordered-multiset](#unordered-multiset) - [unordered-map](#unordered-map) - [unordered-multimap](#unordered-multimap) - [预定义函数符](#) ## 概念 **函数符**概念 其实就是重载了()的伪函数 - 生成器:无参数 - 一元函数:一个参数 - 二元函数:两个参数 - 谓词:返回bool的一元函数 - 二元谓词:返回bool的二元函数 ## 通性 + `begin()` 和 `end()` 用于获取容器的迭代器,指向容器的第一个元素和最后一个元素的“后继” + `rbegin()` 和 `rend()` 用于获取容器的反向迭代器，指向容器的最后一个元素和第一个元素的“前驱”位置 + `size()` 返回容器中元素的数量 + `empty()` 如果容器为空，返回true；否则返回false + `max_size()` 返回容器可能存储的最大元素数量 + `clear()` 清空容器中的所有元素，但不释放内存 + `swap()` 交换两个容器的内容 + `data()` **仅适用于序列容器** 返回指向容器底层存储的指针 + 提供对容器底层数据的直接访问 + 适用于需要与C语言风格的API交互的场景 + `front()` 和 `back()` **仅适用于序列容器** 返回容器的第一个元素和最后一个元素的引用 + `operator[]` 和 `at()` **仅适用于序列容器** 访问容器中的特定元素 + at() 进行边界检查，如果索引超出范围，会抛出`std::out_of_range`异常 ## 序列容器 存储元素的顺序与插入顺序一致 ### vector 1. 定义和初始化 `std::vector vec1; // 定义一个空的 vector` `std::vector vec2 = {1, 2, 3, 4, 5}; // 使用初始化列表初始化` `std::vector vec3(10, 0); // 10个元素，初始值为0` `std::vector vec4(vec2); // 拷贝构造` `std::vector vec5(std::move(vec2)); // 移动构造` 2. 元素访问 支持序列容器的大部分访问方法 3. 修改容器 `push_back()` 在容器末尾添加一个元素 `pop_back()` 删除容器末尾的元素 `insert()` 在指定位置插入一个或多个元素 `erase()` 删除指定位置的元素 4. 容量和大小 `capacity()` 返回容器当前分配的内存容量（以元素数量计） `reserve()` 预分配内存，减少动态扩展的次数 `shrink_to_fit()` 收缩内存，释放多余空间 __使用技巧__ 1. 预分配内存 如果知道容器将存储大量元素，可以使用 reserve() 预分配内存，以减少动态扩展的次数 2. 使用 `std::move()` `vec2.push_back(std::move(vec1[0])); // 将vec1的第一个元素移动到vec2` 3. 使用vector的bool值特性 `std::vector` 是一个特化版本，它使用位存储来优化空间占用，但可能会牺牲某些操作的性能 4. 使用 `std::vector` 的指针特性 如果需要存储动态分配的对象，可以使用 `std::vector>` 或 `std::vector>` __vector 的 capacity 和 size 属性区别__ size 是当前 vector 容器真实占用的大小，也就是容器当前拥有多少个容器。 capacity 是指在发生 realloc 前能允许的最大元素数，即预分配的内存空间。 使用 resize() 容器内的对象内存空间是真正存在的。 使用 reserve() 仅仅只是修改了 capacity 的值，容器内的对象并没有真实的内存空间(空间是"野"的)。 ### deque 1. 插入和删除 + `push_back()` 和 `pop_back()`：尾部操作 + `push_front()` 和 `pop_front()`：头部操作 + `insert()` 和 `erase()`：在任意位置插入或删除 2. 大小操作 + `resize()`：调整容器大小 __使用技巧__ > 高效头部操作：`deque` 是处理头部和尾部频繁插入删除的理想选择 > 随机访问优化：虽然 `deque` 的内存不连续，但通过下标访问效率较高 > 排序：由于支持随机访问，可以使用 `std::sort` 对 `deque` 进行排序 > 迭代器失效：在添加或删除元素后，迭代器可能失效，需要重新获取 __注意事项__ > 内存不连续：`deque` 的元素可能分散在多个内存块中，但通过下标或迭代器访问不会受到影响 > 迭代器失效：在容器大小发生变化时（如插入或删除元素），迭代器可能会失效 > 性能权衡：虽然 `deque` 在头部和尾部操作高效，但在中间插入或删除元素的性能不如 `list` __相比vector的优势__ > 头部操作高效：deque 在头部插入和删除操作的时间复杂度为 O(1)，而 vector 为 O(n)。 > 动态变化灵活：deque 的*分块内存*分配使其更灵活，性能损耗更小,且内存不足时不用搬运所有元素 > 随机访问性能接近：虽然 deque 的随机访问效率略低于 vector，但差距不大 ### list 1. 特点 + 双向链表结构：每个元素包含指向前后元素的指针，支持双向遍历 + 高效插入和删除：在任意位置插入或删除元素的时间复杂度为 O(1)，前提是已知位置 + 不支持随机访问：无法通过索引直接访问元素，只能通过迭代器遍历 + 稳定的迭代器：插入和删除操作不会使迭代器失效，除非删除了迭代器所指向的元素 1. 插入和删除 + `push_back()` 和 `pop_back()`：尾部操作 + `push_front()` 和 `pop_front()`：头部操作 + `insert()` 和 `erase()`：在任意位置插入或删除 2. 其他 + resize()：调整容器大小 + swap()：交换两个 list 的内容 + splice()：将一个 list 的元素插入到另一个 list 的指定位置 + sort()、merge()、reverse()：排序、合并和反转 __注意事项__ > 不支持随机访问：无法通过索引访问元素，只能通过迭代器 > 内存开销：每个元素存储额外的指针，内存开销较大 > 缓存局部性差：元素不连续存储，遍历性能不如 std::vector > 适用场景有限：只有在需要频繁中间插入和删除时才适合使用 ## 关联容器 存储元素时会自动排序，通常基于键值对 ### set 基于红黑树实现 适用于需要去重、排序和*高效查找*的场景 1. 特点 + 元素唯一性：容器中不允许存储重复元素 + 自动排序：元素会根据指定的比较规则自动排序，默认为升序 + 高效查找：插入、删除和查找操作的时间复杂度均为 O(log n) 2. 构造与初始化 + 默认构造 + 初始化列表 + 拷贝构造 + 自定义比较规则 ``` struct Compare { bool operator()(int a, int b) const { return a > b; // 降序排序 } }; ``` 3. 常用操作 + 插入元素 `s1.insert(5);` + 删除元素 `s1.erase(3); // 删除值为 3 的元素` + 查找元素 `s1.find(4); // 返回指向元素的迭代器，未找到时返回 s1.end()` + 统计元素 `int count = s1.count(4);` + 范围查询 ``` auto lower = s1.lower_bound(3); // 返回第一个 >= 3 的元素的迭代器 auto upper = s1.upper_bound(5); // 返回第一个 > 5 的元素的迭代器 ``` 4. 高级用法 + 自定义排序规则:使用仿函数或 `std::greater` 可以改变排序规则 + 存储复杂数据类型:可以存储 `std::pair` 或自定义结构体，通过自定义比较函数排序 + 范围删除 `s1.erase(s1.lower_bound(10), s1.upper_bound(50)); // 删除值在 [10, 50) 范围内的所有元素` __注意事项__ > 修改元素：无法直接修改容器中的元素值，需要先删除再插入 > 性能开销：由于自动排序的特性，插入和删除操作比无序容器慢 > 迭代器失效：插入操作不会使迭代器失效，但删除操作会使指向被删除元素的迭代器失效 ### map 用于存储键值对（key-value pairs），并根据键自动排序 1. 特点 + 键的唯一性：每个键在 map 中是唯一的，不允许重复 + 自动排序：容器会根据键的默认比较规则（通常是 < 运算符）自动排序 + 高效操作：插入、删除和查找操作的时间复杂度均为 O(log n)，其中 n 是容器中元素的数量 2. 常用操作 + 插入元素:`map1.insert({4, "four"});`或`map1[5] = "five"; // 如果键不存在，则插入新键值对；如果键存在，则更新值` + 查找元素:`map1.find(3);` 或者使用 `operator[]` 直接访问键对应的值 + 删除元素:`map1.erase(3); // 删除键为 3 的元素。` ## 无序容器 存储元素时不排序，基于哈希表实现 ## 预定义函数符 + `+` plus + `-` minus + `*` multiplies + `/` divides + `%` modulus + `==` `equal_to` + `!=` `not_equal_to` + `>` `greater` + `<` `less` + `>=` `greater_equal` + `<=` `less_equal` + `&&` `logical_and` + `||` `logical_or` + `!` `logical_not`