C++标准库实用指南：从基础头文件到STL容器

### C++标准库实用指南：从基础头文件到STL容器 #### 1. 兼容C语言的头文件 在C++编程中，有几个与C语言兼容的头文件经常被使用，它们分别是 `<cstddef>`、`<cstdlib>` 和 `<cstring>`。这些头文件是C语言头文件 `<stddef.h>`、`<stdlib.h>` 和 `<string.h>` 的C++版本，定义了一些常见的常量、宏、类型和函数。 ##### 1.1 `<cstddef>` 头文件定义 | 标识符 | 含义 | | --- | --- | | NULL | 表示“未定义”或“无值”的指针值 | | nullptr_t | nullptr 的类型（自C++11起） | | size_t | 用于表示大小单位的无符号类型，如元素数量 | | ptrdiff_t | 用于表示指针差值的有符号类型 | | max_align_t | 在所有上下文中具有最大对齐方式的类型（自C++11起） | | offsetof(type,mem) | 结构体或联合类型中成员 mem 的偏移量 | 在C++11之前，NULL 常被用来表示指针不指向任何对象。自C++11起，引入了 nullptr 来实现相同的语义。需要注意的是，在C++中，NULL 保证为值 0（可以是 int 或 long 类型），而在C语言中，NULL 常被定义为 `(void*)0`，这在C++中是不正确的，因为C++要求 NULL 的类型为整数类型，否则无法将其赋值给指针。自C++11起，建议使用 nullptr 替代 NULL。 ##### 1.2 `<cstdlib>` 头文件定义 | 定义 | 含义 | | --- | --- | | EXIT_SUCCESS | 表示程序正常结束 | | EXIT_FAILURE | 表示程序异常结束 | | exit (int status) | 退出程序（清理静态对象） | | quick_exit (int status) | 根据 at_quick_exit() 进行清理后退出程序（自C++11起） | | _Exit (int status) | 不进行清理直接退出程序（自C++11起） | | abort() | 终止程序（在某些系统上可能强制崩溃） | | atexit (void (*func)()) | 在程序退出时调用 func | | at_quick_exit (void (*func)()) | 在 quick_exit() 时调用 func（自C++11起） | atexit() 注册的函数会在程序正常终止时按注册的逆序调用，无论程序是通过调用 exit() 还是 main() 结束。exit() 会销毁所有静态对象、刷新所有缓冲区、关闭所有I/O通道并终止程序，同时会调用 atexit() 注册的函数。abort() 则会立即终止程序，不进行任何清理。自C++11起，quick_exit() 不会销毁对象，而是按逆序调用 at_quick_exit() 注册的函数，然后调用 _Exit() 终止程序，不进行任何销毁或清理。 ##### 1.3 `<cstring>` 头文件定义 | 定义 | 含义 | | --- | --- | | memchr (const void* ptr, int c, size_t len) | 在 ptr 的前 len 个字节中查找字符 c | | memcmp (const void* ptr1, const void* ptr2, size_t len) | 比较 ptr1 和 ptr2 的前 len 个字节 | | memcpy (void* toPtr, const void* fromPtr, size_t len) | 将 fromPtr 的前 len 个字节复制到 toPtr | | memmove (void* toPtr, const void* fromPtr, size_t len) | 将 fromPtr 的前 len 个字节复制到 toPtr（区域可能重叠） | | memset (void* ptr, int c, size_t len) | 将字符 c 赋值给 ptr 的前 len 个字节 | 这些函数主要用于进行内存的设置、复制和移动操作。 #### 2. 标准模板库（STL）概述 标准模板库（STL）是C++标准库的核心部分，它是一个通用库，提供了使用现代高效算法管理数据集合的解决方案。从程序员的角度来看，STL 提供了一系列满足不同需求的集合类以及操作这些集合的算法。STL 的所有组件都是模板，因此可以用于任意元素类型。 STL 基于容器、迭代器和算法这几个结构良好的组件的协作： - **容器**：用于管理特定类型的对象集合。不同类型的容器有各自的优缺点，反映了程序中对集合的不同需求。容器可以实现为数组、链表，或者为每个元素设置特殊的键。 - **迭代器**：用于遍历对象集合的元素。这些集合可以是容器或容器的子集。迭代器的主要优点是为任意容器类型提供了一个小而通用的接口。例如，通过该接口的一个操作可以让迭代器移动到集合中的下一个元素，而无需考虑集合的内部结构。迭代器的接口与普通指针几乎相同，通过 `operator ++` 递增迭代器，通过 `operator *` 访问迭代器的值。 - **算法**：用于处理集合的元素。例如，算法可以进行搜索、排序、修改或使用元素实现各种目的。算法使用迭代器，由于迭代器接口对所有容器类型都是通用的，因此算法只需编写一次即可用于任意容器。为了给算法提供更多的灵活性，可以提供一些辅助函数供算法调用。 STL 的概念基于数据和操作的分离，数据由容器类管理，操作由可配置的算法定义，迭代器则是连接这两个组件的桥梁。 #### 3. STL 容器 STL 提供了不同类型的容器，以满足不同的需求，主要分为以下三种类型： - **序列容器**：元素具有特定的位置，该位置取决于插入的时间和位置，与元素的值无关。STL 中预定义的序列容器类有 array、vector、deque、list 和 forward_list。 - **关联容器**：元素的位置取决于其值（如果是键值对，则取决于键），根据特定的排序标准进行排序。插入顺序不影响元素的顺序。STL 中预定义的关联容器类有 set、multiset、map 和 multimap。 - **无序（关联）容器**：元素的位置无关紧要，重要的是特定元素是否存在于集合中。插入顺序和元素值都不影响元素的位置，并且元素的位置可能在容器的生命周期内发生变化。STL 中预定义的无序容器类有 unordered_set、unordered_multiset、unordered_map 和 unordered_multimap。 ##### 3.1 序列容器 序列容器的常见类型包括向量（vector）、双端队列（deque）、数组（array）、列表（list）和前向列表（forward_list）。 **向量（vector）**： 向量将元素存储在动态数组中，支持随机访问，即可以通过索引直接访问每个元素。在数组末尾添加和删除元素非常快，但在数组中间或开头插入元素需要移动后续元素，因此时间开销较大。 ```cpp // stl/vector1.cpp #include <vector> #include <iostream> using namespace std; int main() { vector<int> coll; // vector container for integer elements // append elements with values 1 to 6 for (int i=1; i<=6; ++i) { coll.push_back(i); } // print all elements followed by a space for (int i=0; i<coll.size(); ++i) { cout << coll[i] << ' '; } cout << endl; } ``` **双端队列（deque）**： 双端队列是一种动态数组，可以在两端增长。因此，在队列的末尾和开头插入元素都很快，但在中间插入元素需要移动元素，时间开销较大。 ```cpp // stl/deque1.cpp #include <deque> #include <iostream> using namespace std; int main() { deque<float> coll; // deque container for floating-point elements // insert elements from 1.1 to 6.6 each at the front for (int i=1; i<=6; ++i) { coll.push_front(i*1.1); // insert at the front } // print all elements followed by a space for (int i=0; i<coll.size(); ++i) { cout << coll[i] << ' '; } cout << endl; } ``` **数组（array）**： 数组管理固定大小的元素集合，不能改变元素的数量，只能修改元素的值。因此，在创建数组时需要指定其大小。数组也支持随机访问。 ```cpp // stl/array1.cpp #include <array> #include <string> #inclu ```