第十章 泛型算法

泛型算法

  • 因为它们实现共同的操作,所以称之为“算法”;而“泛型”、指的是它们可以操作在多种容器类型上。
  • 泛型算法本身不执行容器操作,只是单独依赖迭代器和迭代器操作实现。
  • 头文件: #include <algorithm>或者 #include <numeric>(算数相关)
  • 大多数算法是通过遍历两个迭代器标记的一段元素来实现其功能。
  • 必要的编程假定:算法永远不会改变底层容器的大小。算法可能改变容器中保存的元素的值,也可能在容器内移动元素,但不能直接添加或者删除元素。

find

  • vector<int>::const_iterator result = find(vec.begin(), vec.end(), search_value);
  • 输入:两个标记范围的迭代器和目标查找值。返回:如果找到,返回对应的迭代器,否则返回第二个参数,即标记结尾的迭代器。

初识泛型算法

  • 标准库提供了超过100个算法,但这些算法有一致的结构。
  • 理解算法的最基本的方法是了解它们是否读取元素、改变元素、重排元素顺序。

只读算法

  • 只读取范围中的元素,不改变元素。
  • findaccumulate(在numeric中定义,求和)。
  • find_first_of,输入:两对迭代器标记两段范围,在第一段中找第二段中任意元素,返回第一个匹配的元素,找不到返回第一段的end迭代器。
  • 通常最好使用cbegincend
  • equal:确定两个序列是否保存相同的值。

写容器元素的算法

  • 一些算法将新值赋予序列中的元素。
  • 算法不检查写操作。
  • fillfill(vec.begin(), vec.end(), 0); 将每个元素重置为0
  • fill_nfill_n(vec.begin(), 10, 0);
  • 插入迭代器back_inserter

    • 用来确保算法有足够的空间存储数据。
    • #include <iterator>
    • back_inserter(vec)
  • 拷贝算法copy
  • 输入:前两个参数指定输入范围,第三个指向目标序列。
  • copy (ilst.begin(), ilst.end(), back_inserter(ivec));
  • copy时必须保证目标目的序列至少要包含与输入序列一样多的元素。

重排容器元素的算法

  • 这些算法会重排容器中元素的顺序。
  • 排序算法sort

    • 接受两个迭代器,表示要排序的元素范围。
  • 消除重复unique

    • 之前要先调用sort
    • 返回的迭代器指向最后一个不重复元素之后的位置。
    • 顺序会变,重复的元素被“删除”。
    • 并没有真正删除,真正删除必须使用容器操作。

定制操作

向算法传递函数:

  • 谓词(predicate):

    • 是一个可调用的表达式,返回结果是一个能用作条件的值
    • 一元谓词:接受一个参数
    • 二元谓词:接受两个参数
  • 例子:

    • stable_sort

      • 保留相等元素的原始相对位置。
      • stable_sort(words.begin(), words.end(), isShorter);

lambda表达式

  • 有时可能希望操作可以接受更多的参数。

  • lambda表达式表示一个可调用的代码单元,可以理解成是一个未命名的内联函数。

  • 形式:[capture list](parameter list) -> return type {function body}

    • 其中capture list捕获列表是一个lambda所在函数定义的局部变量的列表(通常为空)。不可忽略。
    • return type是返回类型。可忽略。
    • parameter是参数列表。可忽略。
    • function body是函数体。不可忽略。
    • auto f = [] {return 42;}
  • 例子:

    • find_if:

      • 接受一对表示范围的迭代器和一个谓词,用来查找第一个满足特定要求的元素。返回第一个使谓词返回非0值的元素。
      • auto wc = find_if(words.begin(), words.end(), [sz](const string &a){return a.size() >= sz;});
    • for_each

      • 接受一个可调用对象,并对序列中每个元素调用此对象。
      • for_each(wc, words.end(), [](const string &s){cout << s << " ";})

lambda捕获和返回

  • 定义lambda时会生成一个新的类类型和该类型的一个对象。
  • 默认情况下,从lambda生成的类都包含一个对应该lambda所捕获的变量的数据成员,在lambda对象创建时被初始化。
  • 值捕获:前提是变量可以拷贝,size_t v1 = 42; auto f = [v1] {return v1;};
  • 引用捕获:必须保证在lambda执行时,变量是存在的,auto f2 = [&v1] {return v1;};
  • 尽量减少捕获的数据量,尽可能避免捕获指针或引用。
  • 隐式捕获:让编译器推断捕获列表,在捕获列表中写一个&(引用方式)或=(值方式)。auto f3 = [=] {return v1;}

lambda捕获列表

捕获列表 解释
[] 空捕获列表。lambda不能使用所在函数中的变量。一个lambda只有在捕获变量后才能使用它们。
[names] names是一个逗号分隔的名字列表,这些名字都是在lambda所在函数的局部变量,捕获列表中的变量都被拷贝,名字前如果使用了&,则采用引用捕获方式。
[&] 隐式捕获列表,采用引用捕获方式。lambda体中所使用的来自所在函数的实体都采用引用方式使用。
[=] 隐式捕获列表,采用值捕获方式。
[&, identifier_list] identifier_list是一个逗号分隔的列表,包含0个或多个来自所在函数的变量。这些变量采用值捕获方式,而任何隐式捕获的变量都采用引用方式捕获。identifier_list中的名字前面不能使用&
[=, identifier_list] identifier_list中的变量采用引用方式捕获,而任何隐式捕获的变量都采用值方式捕获。identifier_list中的名字不能包括this,且前面必须使用&

参数绑定

  • lambda表达式更适合在一两个地方使用的简单操作。
  • 如果是很多地方使用相同的操作,还是需要定义函数。
  • 函数如何包装成一元谓词?使用参数绑定。
  • 标准库bind函数:

    • 定义在头文件functional中,可以看做为一个通用的函数适配器。
    • auto newCallable = bind(callable, arg_list);
    • 我们再调用newCallable的时候,newCallable会调用callable并传递给它arg_list中的参数。
    • _n代表第n个位置的参数。定义在placeholders的命名空间中。using std::placeholder::_1;
    • auto g = bind(f, a, b, _2, c, _1);,调用g(_1, _2)实际上调用f(a, b, _2, c, _1)
    • 非占位符的参数要使用引用传参,必须使用标准库ref函数或者cref函数。

再探迭代器

插入迭代器

  • 插入器是一种迭代器适配器,接受一个容器,生成一个迭代器,能实现向给定容器添加元素。
  • 三种类型:

    • back_inserter:创建一个使用push_back的迭代器。
    • front_inserter创建一个使用push_front的迭代器。
    • inserter创建一个使用insert的迭代器。接受第二个参数,即一个指向给定容器的迭代器,元素会被查到迭代器所指向的元素之前。

插入迭代器操作

操作 解释
it=t it指定的当前位置插入值t。假定cit绑定的容器,依赖于插入迭代器的不同种类,此赋值会分别调用c.push_back(t)c.push_front(t)c.insert(t, p),其中p是传递给inserter的迭代器位置
*it, ++it, it++ 这些操作虽然存在,但不会对it做任何事情,每个操作都返回it

iostream迭代器

  • 迭代器可与输入或输出流绑定在一起,用于迭代遍历所关联的 IO 流。
  • 通过使用流迭代器,我们可以用泛型算法从流对象中读取数据以及向其写入数据。

istream_iterator的操作

操作 解释
istream_iterator<T> in(is); in从输入流is读取类型为T的值
istream_iterator<T> end; 读取类型是T的值的istream_iterator迭代器,表示尾后位置
in1 == in2 in1in2必须读取相同类型。如果他们都是尾后迭代器,或绑定到相同的输入,则两者相等。
in1 != in2 类似上条
*in 返回从流中读取的值
in->mem *(in).mem含义相同
++in, in++ 使用元素类型所定义的>>运算符从流中读取下一个值。前置版本返回一个指向递增后迭代器的引用,后置版本返回旧值。

ostream_iterator的操作

操作 解释
ostream_iterator<T> out(os); out将类型为T的值写到输出流os
ostream_iterator<T> out(os, d); out将类型为T的值写到输出流os中,每个值后面都输出一个dd指向一个空字符结尾的字符数组。
out = val <<运算符将val写入到out所绑定的ostream中。val的类型必须和out可写的类型兼容。
*out, ++out, out++ 这些运算符是存在的,但不对out做任何事情。每个运算符都返回out

反向迭代器

  • 反向迭代器就是在容器中从尾元素向首元素反向移动的迭代器。
  • 对于反向迭代器,递增和递减的操作含义会颠倒。
  • 实现向后遍历,配合rbeginrend

泛型算法结构

5类迭代器

迭代器类别 解释 支持的操作
输入迭代器 只读,不写;单遍扫描,只能递增 ==,!=,++,*,->
输出迭代器 只写,不读;单遍扫描,只能递增 ++,*
前向迭代器 可读写;多遍扫描,只能递增 ==,!=,++,*,->
双向迭代器 可读写;多遍扫描,可递增递减 ==,!=,++,--,*,->
随机访问迭代器 可读写,多遍扫描,支持全部迭代器运算 ==,!=,<,<=,>,>=,++,--,+,+=,-,-=,*,->,iter[n]==*(iter[n])

算法的形参模式

  • alg(beg, end, other args);
  • alg(beg, end, dest, other args);
  • alg(beg, end, beg2, other args);
  • alg(beg, end, beg2, end2, other args);

其中,alg是算法名称,begend表示算法所操作的输入范围。destbeg2end2都是迭代器参数,是否使用要依赖于执行的操作。

算法命名规范

  • 一些算法使用重载形式传递一个谓词。
  • 接受一个元素值的算法通常有一个不同名的版本:加_if,接受一个谓词代替元素值。
  • 区分拷贝元素的版本和不拷贝的版本:拷贝版本通常加_copy

特定容器算法

  • 对于listforward_list,优先使用成员函数版本的算法而不是通用算法。

list和forward_list成员函数版本的算法

操作 解释
lst.merge(lst2) 将来自lst2的元素合并入lst,二者都必须是有序的,元素将从lst2中删除。
lst.merge(lst2, comp) 同上,给定比较操作。
lst.remove(val) 调用erase删除掉与给定值相等(==)的每个元素
lst.remove_if(pred) 调用erase删除掉令一元谓词为真的每个元素
lst.reverse() 反转lst中元素的顺序
lst.sort() 使用<排序元素
lst.sort(comp) 使用给定比较操作排序元素
lst.unique() 调用erase删除同一个值的连续拷贝。使用==
lst.unique(pred) 调用erase删除同一个值的连续拷贝。使用给定的二元谓词。
  • 上面的操作都返回void

list和forward_list的splice成员函数版本的参数

参数 解释
(p, lst2) p是一个指向lst中元素的迭代器,或者一个指向flst首前位置的迭代器。函数将lst2中的所有元素移动到lstp之前的位置或是flstp之后的位置。将元素从lst2中删除。lst2的类型必须和lst相同,而且不能是同一个链表。
(p, lst2, p2) 同上,p2是一个指向lst2中位置的有效的迭代器,将p2指向的元素移动到lst中,或将p2之后的元素移动到flst中。lst2可以是于lstflst相同的链表。
(p, lst2, b, e) be表示lst2中的合法范围。将给定范围中的元素从lst2移动到lstfirst中。lst2lst可以使相同的链表,但p不能指向给定范围中的元素。
  • 使用lst.splice(args)flst.splice_after(args)