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# STL 容器
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## index
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- [概念](#)
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- [通性](#)
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- [序列容器](#)
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- [vector](#)
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- [deque](#)
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- [list](#)
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- [关联容器](#)
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- [set](#)
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- [multiset](#)
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- [map](#)
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- [multimap](#)
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- [无序容器](#)
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- [unordered-set](#unordered-set)
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- [unordered-multiset](#unordered-multiset)
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- [unordered-map](#unordered-map)
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- [unordered-multimap](#unordered-multimap)
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- [预定义函数符](#)
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## 概念
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**函数符**概念
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其实就是重载了()的伪函数
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- 生成器:无参数
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- 一元函数:一个参数
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- 二元函数:两个参数
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- 谓词:返回bool的一元函数
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- 二元谓词:返回bool的二元函数
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## 通性
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+ `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”
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+ `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
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+ `size()` 返回容器中元素的数量
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+ `empty()` 如果容器为空，返回true；否则返回false
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+ `max_size()` 返回容器可能存储的最大元素数量
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+ `clear()` 清空容器中的所有元素，但不释放内存
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+ `swap()` 交换两个容器的内容
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+ `data()` **仅适用于序列容器** 返回指向容器底层存储的指针
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+ 提供对容器底层数据的直接访问
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+ 适用于需要与C语言风格的API交互的场景
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+ `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
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+ `operator[]` 和 `at()` **仅适用于序列容器** 访问容器中的特定元素
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+ at() 进行边界检查，如果索引超出范围，会抛出`std::out_of_range`异常
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## 序列容器
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存储元素的顺序与插入顺序一致
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### vector
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1. 定义和初始化
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`std::vector<int> vec1; // 定义一个空的 vector`
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`std::vector<int> vec2 = {1, 2, 3, 4, 5}; // 使用初始化列表初始化`
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`std::vector<int> vec3(10, 0); // 10个元素，初始值为0`
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`std::vector<int> vec4(vec2); // 拷贝构造`
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`std::vector<int> vec5(std::move(vec2)); // 移动构造`
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2. 元素访问
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支持序列容器的大部分访问方法
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3. 修改容器
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`push_back()` 在容器末尾添加一个元素
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`pop_back()` 删除容器末尾的元素
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`insert()` 在指定位置插入一个或多个元素
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`erase()` 删除指定位置的元素
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4. 容量和大小
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`capacity()` 返回容器当前分配的内存容量（以元素数量计）
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`reserve()` 预分配内存，减少动态扩展的次数
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`shrink_to_fit()` 收缩内存，释放多余空间
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__使用技巧__
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1. 预分配内存
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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
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2. 使用 `std::move()`
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`vec2.push_back(std::move(vec1[0])); // 将vec1的第一个元素移动到vec2`
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3. 使用vector的bool值特性
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`std::vector<bool>` 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
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4. 使用 `std::vector` 的指针特性
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如果需要存储动态分配的对象，可以使用 `std::vector<std::unique_ptr<T>>` 或 `std::vector<std::shared_ptr<T>>`
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__vector 的 capacity 和 size 属性区别__
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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。
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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。
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使用 resize() 容器内的对象内存空间是真正存在的。
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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)。
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### deque
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1. 插入和删除
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+ `push_back()` 和 `pop_back()`：尾部操作
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+ `push_front()` 和 `pop_front()`：头部操作
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+ `insert()` 和 `erase()`：在任意位置插入或删除
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2. 大小操作
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+ `resize()`：调整容器大小
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__使用技巧__
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> 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
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> 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
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> 排序：由于支持随机访问，可以使用 `std::sort` 对 `deque` 进行排序
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> 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
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__注意事项__
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> 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
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> 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
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> 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`
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__相比vector的优势__
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> 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)。
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> 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
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> 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
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### list
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1. 特点
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+ 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
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+ 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
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+ 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
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+ 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
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1. 插入和删除
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+ `push_back()` 和 `pop_back()`：尾部操作
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+ `push_front()` 和 `pop_front()`：头部操作
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+ `insert()` 和 `erase()`：在任意位置插入或删除
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2. 其他
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+ resize()：调整容器大小
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+ swap()：交换两个 list 的内容
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+ splice()：将一个 list 的元素插入到另一个 list 的指定位置
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+ sort()、merge()、reverse()：排序、合并和反转
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__注意事项__
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> 不支持随机访问：无法通过索引访问元素，只能通过迭代器
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> 内存开销：每个元素存储额外的指针，内存开销较大
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> 缓存局部性差：元素不连续存储，遍历性能不如 std::vector
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> 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
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## 关联容器
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存储元素时会自动排序，通常基于键值对
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### set
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基于红黑树实现 适用于需要去重、排序和*高效查找*的场景
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1. 特点
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+ 元素唯一性：容器中不允许存储重复元素
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+ 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
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+ 高效查找：插入、删除和查找操作的时间复杂度均为 O(log n)
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2. 构造与初始化
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+ 默认构造
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+ 初始化列表
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+ 拷贝构造
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+ 自定义比较规则
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```
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struct Compare {
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bool operator()(int a, int b) const {
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return a > b; // 降序排序
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}
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};
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```
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3. 常用操作
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+ 插入元素 `s1.insert(5);`
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+ 删除元素 `s1.erase(3); // 删除值为 3 的元素`
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+ 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()`
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+ 统计元素 `int count = s1.count(4);`
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+ 范围查询
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```
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auto lower = s1.lower_bound(3); // 返回第一个 >= 3 的元素的迭代器
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auto upper = s1.upper_bound(5); // 返回第一个 > 5 的元素的迭代器
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```
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4. 高级用法
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+ 自定义排序规则:使用仿函数或 `std::greater` 可以改变排序规则
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+ 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
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+ 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`
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__注意事项__
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> 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
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> 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
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> 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
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### map
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用于存储键值对（key-value pairs），并根据键自动排序
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1. 特点
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+ 键的唯一性：每个键在 map 中是唯一的，不允许重复
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+ 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
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+ 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
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2. 常用操作
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+ 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`
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+ 查找元素:`map1.find(3);` 或者使用 `operator[]` 直接访问键对应的值
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+ 删除元素:`map1.erase(3); // 删除键为 3 的元素。`
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## 无序容器
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存储元素时不排序，基于哈希表实现
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## 预定义函数符
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+ `+` plus
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+ `-` minus
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+ `*` multiplies
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+ `/` divides
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+ `%` modulus
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+ `==` `equal_to`
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+ `!=` `not_equal_to`
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+ `>` `greater`
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+ `<` `less`
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+ `>=` `greater_equal`
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+ `<=` `less_equal`
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+ `&&` `logical_and`
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+ `||` `logical_or`
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+ `!` `logical_not`
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