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C++中常用的std标准容器

从c++11标准以来，c++中std定义的几种容器的效率非常高，优化的非常好，完全没有必要自己去定义类似的数据结构。了解使用它们，可以满足90%的日常编程需要。该篇文章基于c++11标准，从用户角度来介绍常用的顺序容器与并联容器（如果想从内部了解它们是怎么实现的，推荐看看《std源码剖析》这本书）。它们包括：

顺序容器：

vector
string (它不是类模板）
list
forward_list
deque
queue
priority_queue
stack

有序关联容器：

map
multimap
set
multiset

无序关联容器：

unordered_map

unordered_multimap

unordered_set

unordered_multiset

力推网站： https://en.cppreference.com/w/cpp/container
， 里面介绍的绝对很全的，绝对比本篇文章好太多太多。

很多容器功能是重复的，不再一一列举

顺序容器

1. vector容器

a. vector的定义与初始化

// T 表示实例化类模板时使用的类型

vector<T> v1             　  　// 默认初始化, 此时v1为空。
vector<T> v1(v2)              // 执行的copy初始化，此时v1与v2的内容相同
vector<T> v1 = v2      　　   // 与上面相同，都会执行copy构造函数
vector<T> v1(n)           　  // 此时v1的size大小为n ,它里面的值是根据T的类型进行默认初始化的
vector<T> v1(n, a)        　  // v1的初始化为n个值为a的元素
vector<T> v1{ 
   a, b, c}    　 　// 列表初始化，v1内现在的元素就是a, b, c （这是c++11标准新入的）
vector<T> v1 = { 
   a, b, c} 　　 // 与上面相同

列表初始化是什么？

对于上面的几种初始化方法，最常用的有三种，

1. 默认初始化，这里vector为空；
2. 2.copy初始化，这时用另一个vector初始化该vector
3. 列表初始化，为vector 初始化一些初始值。 几乎或很少在初始化vector的时候去设定它的size大小，因为vector的push_bask是非常高效的，甚至比提前设置它的大小更高效（见c++primer plus书中更加详细）

b. vecotr常使用的操作

1. 属性操作

v1.size()　　　　　　//v1内已经存放的元素的数目
v1.capacity()　　　　// v1现有的在存储容量（不再一次进行扩张内存空间的前提下）
v1.empty()　　　　　// 判断v1是否为空
v1.max_size()　　　 // 返回vector可以存放的最大元素个数，一般这个数很大，因为vector可以不断调整容量大小。
v1.shrink_to_fit()　　// 该函数会把v1的capacity()的大小压缩到size()大小，即释放多余的内存空间。

2. 访问操作：访问操作都会返回引用，通过它，我们可以修改vector中的值。

v1[n]　　　　　　　　// 通过下标进行访问vector中的元素的引用 （下标一定要存在 ，否则未定义，软件直接崩了）
v1.at(n)　　　　　　　// 与上面类似，返回下标为n的元素的引用，不同的是，如果下标不存在，它会抛出out_of_range的异常。它是安全的，建议使用它。
v1.front()　　　　　　// 返回vector中头部的元素的引用（使用时，一定要进行非空判断）
v1.back()　　　　　　// 返回vector中尾部的元素 引用（使用时，一定要进行非空判断）

3. 添加操作：

v1.push_back(a)　　　　　　　　//在迭代器的尾部添加一个元素
v1.push_front(a)　　　　　　　　// vector不支持这个操作
v1.insert(iter,  a)　　　　　　　　// 将元素a 插入到迭代器指定的位置的前面，返回新插入元素的迭代器（在c++11标准之前的版本，返回void)
v1.insert(iter, iter1, iter2)　　　    //把迭代器[iterator1, iterator2]对应的元素插入到迭代器iterator之前的位置，返回新插入的第一个元素的迭代器（在c++11标准之前的版本， 返回空）。

在c++11标准中，引入了emplac_front()、 emplace()、emplace_back() 它们分别与push_front()、insert()、 push_back()相对应，用法与完成的动作作完全相同，但是实现不一样。 push_front()、insert()各push_back()是对元素使用copy操作来完成的，而emplac_front()、 emplace()和emplace_back()是对元素使用构造来完成的，后者的效率更高，避免了不必要的操作。因此，在以后更后推荐使用它们。

4. 删除操作：

v1.erase(iterator)　　　　　// 删除人人迭代器指定的元素，返回被删除元素之后的元素的迭代器。（效率很低，最好别用）
v1.pop_front() 　　　　　　//vector不支持这个操作
v1.pop_back()　　　　　　//删除vector尾部的元素 ， 返回void类型 (使用前，一定要记得非空判断）
v1.clear()　　　　　　　　 //清空所有元素

5. 替换操作：

v1.assign({ 
   初始化列表})　　　　// 它相当于赋值操作，
v1.assign(n, T)　　　　　　　　// 此操作与初始化时的操作类似，用个n T类型的元素对v1进行赋值
v1.assign(iter1, iter2)　　　　　// 使用迭代器[iter1, iter2]区间内的元素进行赋值（该迭代器别指向自身就可以），另外，只要迭代器指的元素类型相同即可（存放元素的容器不同，例如：可以用list容器内的值对vector容器进行assign操作，而用 "=" 绝对做不到的。
v1.swap(v2)　　　　　　// 交换v1与v2中的元素。 swap操作速度很快，

因为它是通过改变v1与v2两个容器内的数据结构（可能是类似指针之类的与v1和v2的绑定）完成的，不会对容器内的每一个元素进行交换。 这样做，不仅速度快，并且指向原容器的迭代器、引用以及指针等仍然有效，因为原始的数据没有变。在c++ primer 中建议大家使用非成员版本的swap()函数，它在范型编程中很重要。

c. 小结：

1. vector容器最重要的特性是： 它在一段连续的内存空间中存储元素, 可以在常量时间内对vector容器进行随机访问，并且可以很高效的在vector的尾部进行添加与删除操作，在vector中间或头部添加与删除元素的效率很低。
2. 只要对vector进行增加与删除元素的操作，都会使迭代器、指针、引用失效（可能有时候它们仍然有效，不过是随机的，绝对不能作这样假设）。所以当使用vector的迭代器、引用和指针时，一定要杜绝对他们进行增加与删除元素的操作
3. 对于vector的迭代器，它除了可以进行 ++iter 与 –iter 的操作之外 ，还可以进行算术运算，例如： iter + n 、 ::difference_type a = iter1 – iter2 //它的返回类型为 ::difference_type,例如vector::difference_type （另一个也支持迭代器算术运算的容器为string)

2. string容器

string与vector类似，但是string不是一种类模板，而就是一种类型，因为它专门用于存放字符的（存放的元素类型已经明确），所以没有设计为类模板。它的所有特性与vector相同，包括存储在连续的空间／快速随机访问／高效在尾部插入与删除／低效在中间插入与删除等， string的迭代器也支持算术运算。 实际上，就可以把string类型看作为vector类型， vector的所有特性都适合与string类型。当然，因为string类型比vector模板更特例化一些，因此它肯定具有一些自己特有而vector没有的特性，下面总结一下。

在陈述之前，首先说明：

1. 在string中(有一些也适用于C风格的字符串），我们可以使用一组迭代器／单个迭代器（从此迭代器开始到字符串末）／位置＋长度表示范围／单个位置（从此位置到字符串末）来表示字符串中的范围， 这样的参数记作range.

2. 可以使用列表初始化的字符串／使用字符串＋range的组合形式表示的子字符串 / 字面值常量（如“china”）来表示字符串。 这里的字符串包括string类型的字符串和C风格的char* 字符串。 字符串使用字符args 表示。

正因为pos和args的样式可以随意组合，所以string的操作函数的参数是多种的，因此它的重载函数数目很多，由于对于insert(pos, args)／append(args)／erase(pos,args)／replace(pos, args)等操作。

a. string的初始化

相对于vector类型来说， string 增加一个使用字面值类型进行初始化，即：

方法1 string a("xiaoming")
方法2 string a = "xiaoming"

b. string中包含的专有的操作（相对于vector来说）

1. string的添加与替换

在string中，增加了append(）与 replace()函数

str.append(args)　　　　// 在尾部添加一个字符或一个字符

str.replace(pos, args)　　　　// 在尾部添加一个字符或一个字符 ,它的重载函数很多,共16个。

2. string的访问子字符串：

str.substr(_pos, n)　　//该函数可以获得原字符串中的部分字符, 从pos开始的n个字符，当_pos超过范围时，会抛出out_of_range的异常。

3. str的搜索操作：

str.find(args)　　//查找args 第一次出现的位置

str.rfind(args)　　//查找args最后一次出现的位置

str.find_first_of(args)　　　//搜索的是字符， 第一个是args里的字符的位置

str.find_last_of(args)　　　// 搜索的是字符， 最后一个是args里的字符的位置

str.find_first_not_of()　　// 搜索的是字符，第一个不是args里的字符的位置

str.find_last_not_of()　　// 搜索的是字符， 最后一个不是args里的字符的位置

4. str的大小操作：

str.length()　　　// 该函数与str.size()函数完成一样，只是名字不同而已罢了。只所以这样搞的原因，可能开发人员感觉length更适合字串符，size更适合容器吧。

c字符串的转换函数

1. 由数值转换为字符串：

to_string(val): 

2. 由字符串转换为数值：（要转换的string的第一个非空白符必须是数值中可能出现的字符，处理直到不可能转换为数值的字符为止，以下内容来自：c++primer）

参数说明：：其中str表示字符串， pos用于表示第一个非数值字符的下标(意思就是我给函数传入一个地址，它会对它进行赋第一个非数值字符的位置）, base表数值的基数，默认为10，即10进制数。

stoi(str, pos, base)  　　// 字符串转换为整型
stol(str, pos, base)　　　　// 转换为long
stoul(str, pos, base)　　　　// 转换为 unsigned long
stoll(str, pos, base)　　　　// 转换为 long long
stoull(str, pos, base)　　　// 转换为unsigned long long
stof(str, pos)　　　　　　// 转换为float
stod(str, pos,)　　　　　// 转换为double
stold(str, pos,)　　　　　// 转换为long double

d 对字符的操作（在cctype头文件中，并不属于string头文件的范围，但是关系很紧密的）

以下内容来自:c++ primer 第五版p82, 只写出部分常用来的(字母：alpha, 数字：number或digit)

isalnum(c)　　// 当为字母或数字时为真

isalpha(c)　　// 当为字母时为真

isdigit(c)　　// 当为数字时真

islower(c)　　// 当为小写字母时为真

issupper(c)　　// 当为大写字母时为真

isspace(c)　　// 当为空格时为真

tolower(c)　　// 转换为小写字母， 当本身为小写字母时，原样输出

toupper(c)　　// 转换为大写字母， 当本身为大写字母时，原样输出

3. list 容器

与vector和string相比，list内部的实现为一个双向链表，它的元素不是存储在连续的内存空间中，而是非连续的，这就决定了它不能在常量时间内完成对元素的随机访问，只能从头到尾的遍历一遍。 因为它是用双向链表实现的，所以，它的一大特性就是它的迭代器永远不会变为无效（除非这段空间不存在了），即无论增加、删除操作，都不会破坏迭代器。

大多数对vector的操作也适合于list，由于底层实现不同，有也差异：

list与vector的差别：

1. list支持push_front()、pop_front()操作

2. list不支持vector中的随机访问操作，即使用v1.at( )和v1[ ] 操作。

3. list的删除与增加元素的操作不会破坏迭代器，而 vector与string 会使迭代器失效。

4. list 内部增加了一个sort()的方法，用于实现排序，不过呢，反正我感觉基本不用它，直接用里的范型sort(）更好啊啊。

5. list增加了一个类似insert()的函数，为splice( ) ：该函数可以实现在常数时间内把一个list 插入到另一个list内，与insert()的区别在于insert是进行copy, 而splice()直接操作的链表的指针指向。它有好几个重载函数。

6. list的去重复函数： unique()； 该函数的作用是去除连续重复的元素，参数即可以为空，也可以传入一个二元谓词，用于确定相等的比较算法。 因为unique()函数可能去除连续重复的元素，因此，很依赖配合上sort()函数使用啊。

7. list的合并函数merge(): 该函数就是合并两个list， 它在合并过程中会在两个链表之间进行来回的比较，如果原来的两个list是有顺序的，合并之后的结果也是有序的，如果合并之前是无序的，合并之后也是无序的。反正吧，这个比较就这样。

4. forward_list容器

forward_list的实现是使用单向链表（list为双向链表）， 在操作单向链表的时候，为了对一个元素进行删除与添加，都需要访问到该元素的前趋节点，因此呢，forward_list的会有insert.after()emplase.after()/erase.after()等操作， 另外forward_list也没有size()操作，原因在于为了尽可能让forward_list与手写的单向链表的效率相同。说实话呢，forward_list操作起来有点反人类，用起来有点不方便，我个人比较买习惯使用list，但是list相对forward_list的内存空间花费更多。

以后什么时候用它的时候，再来介绍。

有序关联容器

关联容器与顺序容器最大的区别在于关联容器没有下标，都过键值或 值本身进行索引。有序关联容器内部通过红黑树实现的，当搜索一个元素时，具有O(logn）的平均复杂度，而无序的关联容器在底层是通过散列表（哈希函数映射）实现的，当搜索一个元素时，通常O(1)的平均复杂度，最坏为O(logn), 下面介绍它们。

1. map 容器

在介绍map之前，必须先介绍pair 类型。

pair类型：

1. pair类型定义在头文件utility中。
2. pair类型为一个结构体类型的模板，（在c++中结构体与类，除了默认的访问符不同，没有其它任何区别）
3. pair 有两个public的数据成员，分别为first与second.
4. pair的初始化与大多数结构体或类的初始化相同：

pair<int, string> sb	//初始化一个默认值的pair对象sb, 它的first是默认初始化的（0,内置类型默认初始化大多数应该是未定义的啊，它这是为0）， second也是采用默认初始化（空字符串）
pair<int, string> sb(1, "japan");	//很常见的初始化方法
pair<int, string> sb = (1, "japan");
pair<int, string> sb{ 
   1,"japan"}	//c++11中的列表初始化方法
pair<int, string> sb = { 
   1, "japan"}

可以调用make_pair()模板函数，返回一个pair对象：

1. map是用于存放键-值对的容器，它使用pair的first数据成员表示键（key)，second数据成员表示对应的值(value),所以呢，map是存放pair类型对象的容器。在map中，key都是固定的，一旦使用就不可以改变，而value是可以改变的， 因此会把pair类型的first数据成员的类型声明为const。

2. map的特性之一是：按value的大小进行有序存放（unordered_map是无序的）， 因此，构造mqp容器时，要求它的key类型必须能够比较大小，当使用自定义的类类型时，应该把重载的 operator< 运算符传递给map

3. 在map中:

::value_type表示”键-值 对”类型
::key_type表示键类型,vlue类型
::mapped_type 表示值的类型
例如： map<int, string>, 则 map<int, string>::value_type 与pair<int, string>等价， map<int, string>::key_type与int等价， map<int, string>::mapped_type与string等价;

4. map的访问操作：

map同样支持使用迭代器，它会返回指向 pair类型的对象 的迭代器
map 使用[]运算符 通过key来访问对应的 value ，如果访问的key不存在，则会自动添加一个对应的pair 对象，其中它的value采用默认值。因此，当通过key来访问map时，map不能是const类型。
map 使用at()成员函数 通过key来访问对应的value, 如果访问的key不存在，则会抛出一个out_of_range的异常;

5. map的添加与删除操作:

insert()或emplace()操作： 当向map中插入不存在的元素（指key值不同）时,可以插入成功，当插入一个已经存在key值的pair对象时，ma不会作任何改变。因此，当对map进行插入操作时，需要知道有没有插入成功。insert()与emplace()函数的 返回值也是一个pair类型，first为一个迭代器，指向插入时的键值对应的pair对象(可能是新插入的，也可能是已经存在的), second是一个bool类型，它表示是否插入成功(例如：当map中已经存在待插入的值时，为false)
erase()操作：它有三个版本，前两个版本与顺序容器相同，使用迭代器指定一个位置或一对迭代器指定一个范围，这时返回值为一个迭代器，指向删除之后的下一个元素；第三个版本的erase()很不错，我很喜欢，它的参数为key值，删除对应key值的pair()对象, 返回值为成功删除的个数（可能为0或1，在multimap中可能为n)

6.查找操作

find(key) // 查找一个特定key值的pair对象，如果找到就返回对应的迭代器，如果找不到，就返回.end()迭代器。
count(key) //统计在map容器中特征key值的pair对象的个数.(在multimap与multiset中很有用的）
equal_range(key) // 返回一个pair类型，first表示low_bound, second表示upper_bound;
lower_bound(key) //返回迭代器，对应第一个大于等于key的元素
upper_bound(key) //返回迭代器，对应第一个大于key的元素 （说明：其实，最后这四个函数，在multimap与multiset中是非常有用的） 

2. multimap容器:

与map容器相比，区别在于multimap允许键值重复，即一个键值可能对应多个value。所以呢，相应的操作会有一些变化，例如：multimap不可以像map中使用key 作为索引(使用operator[]和at()成员函数）进行访问元素（因为对应的value可能是多个),multimap的插入操作一定会成功等，除此之外，它们的性相同, 不多介绍。

3. set容器：

set容器与map容器的唯一区别在于：存放的元素类型不同： map存储的是键-值对，即pair类型，而set中只存放键值。正因为如此，所以：

1. set只有::value_type与key_type类型，没有::mapped_type类型;
2. set不需要索引访问操作（通过operator[]和at()函数）
   除此之外， set与map也没有什么其它区别了。

4. multiset容器：

multiset容器相对于set容器，允许它容器内部的元素重复。没有其它区别了