C++ STL泛型编程——在ACM中的运用

学习过C++的朋友们应该对STL和泛型编程这两个名词不会陌生。两者之间的关系不言而喻，泛型编程的思想促使了STL的诞生，而STL则很好地体现了泛型编程这种思想。这次想简单说一下STL在ACM中的一些应用。我们知道，在ACM竞赛中，经常需要用到数组、字符串、队列、堆栈、链表等数据结构和排序、搜索等算法，以提高程序的时间、空间运行效率。然而如果这些数据结构总是需要手工来编写，那无疑会是一件很麻烦的工作，而STL的出现很好地解决了这个问题。 我们简单来了解一下STL。STL提供了三种类型的组件：容器、迭代器和算法。容器主要有两类：顺序容器和关联容器。顺序容器（vector、list、deque和string等）是一系列元素的有序集合。关联容器（set、multiset、map和multimap）包括查找元素的键值。迭代器的作用是遍历容器。STL算法库包含四类算法：排序算法、不可变序算法、变序性算法和数值算法。下面就简单介绍一下STL里常用的容器。

 1. vector向量容器

      vector向量容器不但像数组一样对元素进行随机访问，还能在尾部插入元素，是一种简单、高效的容器，完全可以替代数组。由于vector具有内存自动管理的功能，对于元素的插入和删除，可动态调整所占的内存空间，因此使用时不需要考虑释放空间的问题。使用vector向量容器时，需要包含头文件“vector”。(即#include <vector>)对于vector容器的容量定义，可以事先定义一个固定大小，事后可以随时调整其大小；（例如vector<int> v(10); //定义一个用来存储10个int类型元素的向量容器）也可以事先不用定义其大小，使用push_back()方法从尾部扩张元素，也可以使用insert()在某个元素位置前插入新元素。

      vector容器有两个重要的方法，begin()和end()。begin()返回的是首元素位置的迭代器；end()返回的是最后一个元素的下一个元素位置的迭代器。通常在遍历vector所有元素时会用到这两个方法。例如：

vector<int> v(3);

 

vector<int>::iterator it;

 

for(it=v.begin(); it!=v.end(); it++){...}

至于vector元素的删除，调用erase()方法可以删除vector中迭代器所指的一个元素或一段区间中的所有元素，clear()方法则可以删除vector中所有元素。

 通过使用size()方法可以返回向量的大小，即元素个数，调用empty()方法返回向量是否为空。

再简单看一下在vector中常用到的算法。使用reverse()反向排列算法，需要定义头文件“#include <algorithm>”，reverse()算法可将向量中某段迭代器区间元素反向排列；使用sort算法可以对向量排序，默认情况下对元素进行升序排列，也可以自己设计排序比较函数，具体使用细节就不赘述了。

 2. string基本字符系列容器

 C语言中对于字符串只能使用字符数组来处理，显得十分不方便。C++ STL提供了string基本字符序列容器来处理字符串，可以把string理解为字符串类，它提供了添加、删除、替换、查找和比较等丰富方法。使用string容器需要包含头文件声明“#include <string>”。

 3. set集合容器

      set集合容器实现了红黑树的平衡二叉检索树的数据结构，在插入元素时，它会自动调整二叉树的排列，把该元素放到适当的位置，以确保每个子树根节点的键值大于左子树所有节点的键值，而小于右子树所有节点的键值；另外，还得确保根节点左子树的高度与右子树的高度相等，因为二叉树高度最小，检索速度最快。这里要注意的是，set容器不会插入相同键值的元素。

      平衡二叉检索树的检索使用中序遍历算法，检索效率高于vector、deque和list等容器。另外，采用中序遍历算法可将键值由小到大遍历出来，所以，可以理解为平衡二叉检索树在插入元素时，就会自动将元素按键值由小到大的顺序排列。由于构造set集合的主要目的就是为了快速检索，对于set容器中的键值，不可直接去修改。multiset、map和multimap的内部结构也是平衡二叉检索树。

 4. multiset多重集合容器

      multiset与set一样，也是使用红黑树来组织元素数据的，唯一不同的是，multiset允许重复的元素键值插入，而set则不允许。multiset也需要声明头文件包含“#include <set>”，由于它包含重复元素，所以在插入元素、删除元素、查找元素上较set有差别。

 5. map映照容器

      map映照容器的元素数据是由一个键值和一个映照数据组成的，键值与映照数据之间具有一一映照的关系。map映照容器的数据结构也是采用红黑树来实现的，插入元素的键值不允许重复，比较函数只对元素的键值进行比较，元素的各项数据可通过键值检索出来。由于map与set采用的都是红黑树的数据结构，所以它们的用法基本类似。使用map容器需要头文件包含语句“#include <map>”。

      6. multiset多重映照容器

      multiset与map基本相同，唯独不同的是，mulitiset允许插入重复键值的元素。由于允许重复键值存在，所以multiset的元素插入、删除、查找都与map不相同。

      7. deque双端队列容器

      deque双端队列容器与vector一样，采用线性表顺序存储结构。但与vector唯一不同的是，deque采用分块的线性存储结构来存储数据，每块的大小一般为512字节，称为一个deque块，所有的deque块使用一个Map块进行管理，每个Map数据项纪录每个deque块的首地址。这样，deque块在头部和尾部都可插入和删除元素，而不需移动其他元素。一般来说，当考虑到容器元素的内存分配策略和操作的性能时，deque相对于vector会更有优势。使用deque需要声明头文件包含“#include <deque>”。

      8. list双向链表容器

      list容器实现了双向链表的数据结构，数据元素是通过链表指针串连成逻辑意义上的线性表，这样，对链表的任一位置的元素进行插入、删除和查找都是极快速的。由于list对象的节点并不要求在一段连续的内存中，所以对于迭代器，只能通过“++”或“--”的操作将迭代器移动到后继/前驱节点元素处。而不能对迭代器进行+n或-n的操作，这点是与vector等不同的地方。使用list需要声明头文件包含“#include <list>”。

     9. stack堆栈容器

     stack堆栈是一个后进先出的线性表，插入和删除元素都只能在表的一端进行。插入元素的一端称为栈顶，另一端称为栈底。插入元素叫入栈，元素的删除称为出栈。要使用stack必须声明头文件包含语句“#include <stack>”。

     10. queue队列容器

     queue队列容器是一个先进先出的线性存储表，元素的插入只能在队尾，元素的删除只能在队首。使用queue需要声明头文件包含语句“#include <queue>” 。