C++标准模板库STL

STL（Standard Template Library） 是 C++ 的核心组成部分之一，它提供了一套强大的容器、算法、迭代器、仿函数和空间配置器，极大地提高了开发效率和代码复用性。下面我将从基本概念、常用容器、算法、迭代器、函数对象等方面，详细讲解 STL 的相关内容。

 一、STL 概述

1.什么是 STL？

• STL 是 C++ 标准库的一部分，由 Bjarne Stroustrup 等人设计。
• 提供了通用的数据结构和算法，支持泛型编程（Generic Programming）。

2. STL 的五大组件：

1. 容器（Containers）
2. 算法（Algorithms）
3. 迭代器（Iterators）
4. 仿函数（Function Objects）
5. 空间配置器（Allocators）（一般不直接使用）

二、常用 STL 容器

容器	类型	特点	示例
vector	序列容器	动态数组，随机访问快	vector<int> v;
list	序列容器	双向链表，插入删除快	list<string> l;
deque	序列容器	双端队列，两端插入删除快	deque<char> d;
array	序列容器	固定大小数组，性能好	array<int, 5> a;
forward_list	序列容器	单向链表	forward_list<int> fl;
map	关联容器	键值对，按 key 排序	map<string, int> m;
unordered_map	关联容器	哈希表，按 hash 排序	unordered_map<string, int> um;
set	关联容器	唯一元素，按 key 排序	set<int> s;
unordered_set	关联容器	哈希表，唯一元素	unordered_set<string> us;
priority_queue	容器适配器	优先队列，最大/最小堆	priority_queue<int> pq;

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 三、常用 STL 算法（<algorithm>）

算法	功能	示例
sort()	排序	sort(v.begin(), v.end());
find()	查找元素	auto it = find(v.begin(), v.end(), 42);
count()	统计元素出现次数	int cnt = count(v.begin(), v.end(), 42);
copy()	复制元素	copy(v1.begin(), v1.end(), back_inserter(v2));
transform()	转换元素	transform(v.begin(), v.end(), v.begin(), [](int x){ return x*2; });
reverse()	反转序列	reverse(v.begin(), v.end());
max_element() / min_element()	找最大/最小值	auto it = max_element(v.begin(), v.end());
accumulate()	累加	int sum = accumulate(v.begin(), v.end(), 0);
remove() / erase()	删除元素	v.erase(remove(v.begin(), v.end(), 42), v.end());

 四、迭代器（Iterators）

1. 作用：

• 用于遍历容器中的元素。
• 是一种“指针”的抽象，可以像指针一样操作。

2.常见迭代器类型：

类型	说明
begin() / end()	返回容器的起始和结束迭代器
rbegin() / rend()	反向迭代器
const_iterator	只读迭代器
iterator	可读可写迭代器

 示例：

vector<int> v = {1, 2, 3, 4, 5};for (auto it = v.begin(); it != v.end(); ++it) {cout << *it << " ";
}

五、函数对象（Functor）

1.什么是函数对象？

• 是一个重载了 operator() 的类对象。
• 可以像函数一样被调用，且可以携带状态。

2. 示例：

struct Add {int operator()(int a, int b) {return a + b;}
};Add add;
cout << add(2, 3);  // 输出 5

3. 常见 STL 函数对象：

• plus<>, minus<>, multiplies<>：数学运算
• equal_to<>, less<>：比较运算
• bind, function：绑定函数参数、封装函数对象

六、STL 容器的底层实现（简要）

容器	实现方式	时间复杂度
vector	动态数组	插入/删除尾部 O(1)，中间 O(n)
list	双向链表	插入/删除 O(1)
map	红黑树	插入/查找 O(log n)
unordered_map	哈希表	平均 O(1)
set	红黑树	插入/查找 O(log n)
unordered_set	哈希表	平均 O(1)

七、STL 的优缺点

1.优点：

• 高效、灵活、可复用。
• 支持泛型编程，代码简洁。
• 丰富的容器和算法，减少重复劳动。

2. 缺点：

• 学习曲线较陡，需要理解迭代器、算法、模板等。
• 容器之间有性能差异，需合理选择。

 八、常见问题与注意事项

1. 容器的迭代器失效问题

• 如 vector 在插入/删除元素后，所有迭代器可能失效。
• map、set 在插入/删除后，只有指向被删元素的迭代器失效。

2. 算法与容器的配合

• 算法通常接受迭代器范围（begin() 到 end()）。
• 不同容器支持的算法可能不同（如 list 不支持 random_access_iterator）。

3. 性能优化建议

• 使用 reserve() 避免 vector 频繁扩容。
• 使用 emplace_back() 替代 push_back()。
• 使用 unordered_map 代替 map 如果不需要排序。

九、STL 的常用头文件

头文件	说明
<vector>	vector 容器
<list>	list 容器
<deque>	deque 容器
<map>	map 和 multimap
<set>	set 和 multiset
<algorithm>	常用算法
<iterator>	迭代器相关
<functional>	函数对象、绑定等
<memory>	智能指针（unique_ptr, shared_ptr）

 十、STL 与 C++11/14/17/20 新特性

• lambda 表达式：方便定义匿名函数对象。
• auto 类型推导：简化迭代器声明。
• range-based for 循环：更简洁地遍历容器。
• std::move 和 std::forward：支持移动语义和完美转发。
• std::optional、std::variant：增强类型安全性。

总结：STL 核心要点

类别	内容
容器	vector, map, set, list, unordered_map 等
算法	sort, find, transform, accumulate 等
迭代器	begin(), end(), rbegin(), rend() 等
函数对象	plus, less, bind, function 等
优势	高效、灵活、可复用
注意事项	迭代器失效、容器性能、算法兼容性

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