第九章 顺序容器
顺序容器概述
- 顺序容器(sequential container):为程序员提供了控制元素存储和访问顺序的能力。这种顺序不依赖于元素的值,而是与元素加入容器时的位置相对应。
顺序容器类型
容器类型 |
介绍 |
vector |
可变大小数组。支持快速随机访问。在尾部之外的位置插入或删除元素可能很慢。 |
deque |
双端队列。支持快速随机访问。在头尾位置插入/删除速度很快。 |
list |
双向链表。只支持双向顺序访问。在list 中任何位置进行插入/删除操作速度都很快。 |
forward_list |
单向链表。只支持单向顺序访问。在链表任何位置进行插入/删除操作速度都很快。 |
array |
固定大小数组。支持快速随机访问。不能添加或者删除元素。 |
string |
与vector 相似的容器,但专门用于保存字符。随机访问块。在尾部插入/删除速度快。 |
- 除了固定大小的
array
外,其他容器都提供高效、灵活的内存管理。 forward_list
和array
是新C++标准增加的类型。- 通常使用
vector
是最好的选择,除非你有很好的理由选择其他容器。 - 新标准库的容器比旧版的快得多。
容器操作
类型
操作 |
解释 |
iterator |
此容器类型的迭代器类型 |
const_iterator |
可以读取元素但不能修改元素的迭代器类型 |
size_type |
无符号整数类型,足够保存此种容器类型最大可能的大小 |
difference_type |
带符号整数类型,足够保存两个迭代器之间的距离 |
value_type |
元素类型 |
reference |
元素的左值类型;和value_type & 含义相同 |
const_reference |
元素的const 左值类型,即const value_type & |
构造函数
操作 |
解释 |
C c; |
默认构造函数,构造空容器 |
C c1(c2); 或C c1 = c2; |
构造c2 的拷贝c1 |
C c(b, e) |
构造c ,将迭代器b 和e 指定范围内的所有元素拷贝到c |
C c(a, b, c...) |
列表初始化c |
C c(n) |
只支持顺序容器,且不包括array ,包含n 个元素,这些元素进行了值初始化 |
C c(n, t) |
包含n 个初始值为t 的元素 |
- 只有顺序容器的构造函数才接受大小参数,关联容器并不支持。
array
具有固定大小。- 和其他容器不同,默认构造的
array
是非空的。 - 直接复制:将一个容器复制给另一个容器时,类型必须匹配:容器类型和元素类型都必须相同。
- 使用迭代器复制:不要求容器类型相同,容器内的元素类型也可以不同。
赋值和swap
操作 |
解释 |
c1 = c2; |
将c1 中的元素替换成c2 中的元素 |
c1 = {a, b, c...} |
将c1 中的元素替换成列表中的元素(不适用于array ) |
c1.swap(c2) |
交换c1 和c2 的元素 |
swap(c1, c2) |
等价于c1.swap(c2) |
c.assign(b, e) |
将c 中的元素替换成迭代器b 和e 表示范围中的元素,b 和e 不能指向c 中的元素 |
c.assign(il) |
将c 中的元素替换成初始化列表il 中的元素 |
c.assign(n, r) |
将c 中的元素替换为n 个值是t 的元素 |
- 使用非成员版本的
swap
是一个好习惯。 assign
操作不适用于关联容器和array
大小
操作 |
解释 |
c.size() |
c 中元素的数目(不支持forward_list ) |
c.max_size() |
c 中可保存的最大元素数目 |
c.empty() |
若c 中存储了元素,返回false ,否则返回true |
添加元素
操作 |
解释 |
c.push_back(t) |
在c 尾部创建一个值为t 的元素,返回void |
c.emplace_back(args) |
同上 |
c.push_front(t) |
在c 头部创建一个值为t 的元素,返回void |
c.emplace_front(args) |
同上 |
c.insert(p, t) |
在迭代器p 指向的元素之前创建一个值是t 的元素,返回指向新元素的迭代器 |
c.emplace(p, args) |
同上 |
c.insert(p, n, t) |
在迭代器p 指向的元素之前插入n 个值为t 的元素,返回指向第一个新元素的迭代器;如果n 是0,则返回p |
c.insert(p, b, e) |
将迭代器b 和e 范围内的元素,插入到p 指向的元素之前;如果范围为空,则返回p |
c.insert(p, il) |
il 是一个花括号包围中的元素值列表,将其插入到p 指向的元素之前;如果il 是空,则返回p |
- 因为这些操作会改变大小,因此不适用于
array
。 forward_list
有自己专有版本的insert
和emplace
。forward_list
不支持push_back
和emplace_back
。- 当我们用一个对象去初始化容器或者将对象插入到容器时,实际上放入的是对象的拷贝。
emplace
开头的函数是新标准引入的,这些操作是构造而不是拷贝元素。- 传递给
emplace
的参数必须和元素类型的构造函数相匹配。
访问元素
操作 |
解释 |
c.back() |
返回c 中尾元素的引用。若c 为空,函数行为未定义 |
c.front() |
返回c 中头元素的引用。若c 为空,函数行为未定义 |
c[n] |
返回c 中下标是n 的元素的引用,n 时候一个无符号证书。若n>=c.size() ,则函数行为未定义 |
c.at(n) |
返回下标为n 的元素引用。如果下标越界,则抛出out_of_range 异常 |
- 访问成员函数返回的是引用。
at
和下标操作只适用于string
、vector
、deque
、array
。back
不适用于forward_list
。- 如果希望下标是合法的,可以使用
at
函数。
删除元素
操作 |
解释 |
c.pop_back() |
删除c 中尾元素,若c 为空,则函数行为未定义。函数返回void |
c.pop_front() |
删除c 中首元素,若c 为空,则函数行为未定义。函数返回void |
c.erase(p) |
删除迭代器p 指向的元素,返回一个指向被删除元素之后的元素的迭代器,若p 本身是尾后迭代器,则函数行为未定义 |
c.erase(b, e) |
删除迭代器b 和e 范围内的元素,返回指向最后一个被删元素之后元素的迭代器,若e 本身就是尾后迭代器,则返回尾后迭代器 |
c.clear() |
删除c 中所有元素,返回void |
- 会改变容器大小,不适用于
array
。 forward_list
有特殊版本的erase
forward_list
不支持pop_back
vector
和string
不支持pop_front
特殊的forwad_list操作
- 链表在删除元素时需要修改前置节点的内容,双向链表会前驱的指针,但是单向链表没有保存,因此需要增加获取前置节点的方法。
forward_list
定义了before_begin
,即首前(off-the-begining)迭代器,允许我们再在首元素之前添加或删除元素。
| 操作 | 解释 |
| —- | —- |
| lst.before_begin()
| 返回指向链表首元素之前不存在的元素的迭代器,此迭代器不能解引用。 |
| lst.cbefore_begin()
| 同上,但是返回的是常量迭代器。 |
| lst.insert_after(p, t)
| 在迭代器p
之后插入元素。t
是一个对象 |
| lst.insert_after(p, n, t)
| 在迭代器p
之后插入元素。t
是一个对象,n
是数量。若n
是0则函数行为未定义 |
| lst.insert_after(p, b, e)
| 在迭代器p
之后插入元素。由迭代器b
和e
指定范围。 |
| lst.insert_after(p, il)
| 在迭代器p
之后插入元素。由il
指定初始化列表。 |
| emplace_after(p, args)
| 使用args
在p
之后的位置,创建一个元素,返回一个指向这个新元素的迭代器。若p
为尾后迭代器,则函数行为未定义。 |
| lst.erase_after(p)
| 删除p
指向位置之后的元素,返回一个指向被删元素之后的元素的迭代器,若p
指向lst
的尾元素或者是一个尾后迭代器,则函数行为未定义。 |
| lst.erase_after(b, e)
| 类似上面,删除对象换成从b
到e
指定的范围。 |
改变容器大小
操作 |
解释 |
c.resize(n) |
调整c 的大小为n 个元素,若n<c.size() ,则多出的元素被丢弃。若必须添加新元素,对新元素进行值初始化 |
c.resize(n, t) |
调整c 的大小为n 个元素,任何新添加的元素都初始化为值t |
获取迭代器
操作 |
解释 |
c.begin() , c.end() |
返回指向c 的首元素和尾元素之后位置的迭代器 |
c.cbegin() , c.cend() |
返回const_iterator |
- 以
c
开头的版本是C++11新标准引入的 - 当不需要写访问时,应该使用
cbegin
和cend
。
反向容器的额外成员
操作 |
解释 |
reverse_iterator |
按逆序寻址元素的迭代器 |
const_reverse_iterator |
不能修改元素的逆序迭代器 |
c.rbegin() , c.rend() |
返回指向c 的尾元素和首元素之前位置的迭代器 |
c.crbegin() , c.crend() |
返回const_reverse_iterator |
迭代器
- 迭代器范围:
begin
到end
,即第一个元素到最后一个元素的后面一个位置。 - 左闭合区间:
[begin, end)
左闭合范围蕴含的编程设定:
- 如果
begin
和end
相等,则范围为空。 - 如果二者不等,则范围至少包含一个元素,且
begin
指向该范围中的第一个元素。 - 可以对
begin
递增若干次,使得begin == end
。
容器操作可能使迭代器失效
在向容器添加元素后:
- 如果容器是
vector
或string
,且存储空间被重新分配,则指向容器的迭代器、指针、引用都会失效。 - 对于
deque
,插入到除首尾位置之外的任何位置都会导致指向容器的迭代器、指针、引用失效。如果在首尾位置添加元素,迭代器会失效,但指向存在元素的引用和指针不会失效。 - 对于
list
和forward_list
,指向容器的迭代器、指针和引用依然有效。
在从一个容器中删除元素后:
- 对于
list
和forward_list
,指向容器其他位置的迭代器、引用和指针仍然有效。 - 对于
deque
,如果在首尾之外的任何位置删除元素,那么指向被删除元素外其他元素的迭代器、指针、引用都会失效;如果是删除deque
的尾元素,则尾后迭代器会失效,但其他不受影响;如果删除的是deque
的头元素,这些也不会受影响。 - 对于
vector
和string
,指向被删元素之前的迭代器、引用、指针仍然有效。 - 注意:当我们删除元素时,尾后迭代器总是会失效。
- 注意:使用失效的迭代器、指针、引用是严重的运行时错误!
- 建议:将要求迭代器必须保持有效的程序片段最小化。
- 建议:不要保存
end
返回的迭代器。
容器内元素的类型约束
- 元素类型必须支持赋值运算;
- 元素类型的对象必须可以复制。
- 除了输入输出标准库类型外,其他所有标准库类型都是有效的容器元素类型。
vector对象是如何增长的
vector
和string
在内存中是连续保存的,如果原先分配的内存位置已经使用完,则需要重新分配新空间,将已有元素从就位置移动到新空间中,然后添加新元素。
管理容量的成员函数
操作 |
解释 |
c.shrink_to_fit() |
将capacity() 减少到和size() 相同大小 |
c.capacity() |
不重新分配内存空间的话,c 可以保存多少个元素 |
c.reverse(n) |
分配至少能容纳n 个元素的内存空间 |
shrink_to_fit
只适用于vector
、string
和deque
capacity
和reverse
只适用于vector
和string
。
额外的string操作
构造string的其他方法
操作 |
解释 |
string s(cp, n) |
s 是cp 指向的数组中前n 个字符的拷贝,此数组 |
string s(s2, pos2) |
s 是string s2 从下标pos2 开始的字符的拷贝。若pos2 > s2.size() ,则构造函数的行为未定义。 |
string s(s2, pos2, len2) |
s 是string s2 从下标pos2 开始的len2 个字符的拷贝。 |
substr操作
操作 |
解释 |
s.substr(pos, n) |
返回一个string ,包含s 中从pos 开始的n 个字符的拷贝。pos 的默认值是0,n 的默认值是s.size() - pos ,即拷贝从pos 开始的所有字符。 |
改变string的其他方法
操作 |
解释 |
s.insert(pos, args) |
在pos 之前插入args 指定的字符。pos 可以使是下标或者迭代器。接受下标的版本返回指向s 的引用;接受迭代器的版本返回指向第一个插入字符的迭代器。 |
s.erase(pos, len) |
删除从pos 开始的len 个字符,如果len 被省略,则删除后面所有字符,返回指向s 的引用。 |
s.assign(args) |
将s 中的字符替换成args 指定的字符。返回一个指向s 的引用。 |
s.append(args) |
将args 指定的字符追加到s ,返回一个指向s 的引用。 |
s.replace(range, args) |
删除s 中范围range 中的字符,替换成args 指定的字符。返回一个指向s 的引用。 |
string搜索操作
string
类提供了6个不同的搜索函数,每个函数都有4个重载版本。- 每个搜索操作都返回一个
string::size_type
值,表示匹配发生位置的下标。如果搜索失败则返回一个名为string::npos
的static
成员(类型是string::size_type
,初始化值是-1,也就是string
最大的可能大小)。
| 搜索操作 | 解释 |
| —- | —- |
| s.find(args)
| 查找s
中args
第一次出现的位置 |
| s.rfind(args)
| 查找s
中args
最后一次出现的位置 |
| s.find_first_of(args)
| 在s
中查找args
中任何一个字符第一次出现的位置 |
| s.find_last_of(args)
| 在s
中查找args
中任何一个字符最后一次出现的位置 |
| s.find_first_not_of(args)
| 在s
中查找第一个不在args
中的字符 |
| s.find_first_not_of(args)
| 在s
中查找最后一个不在args
中的字符 |
args必须是一下的形式之一:
args 形式 |
解释 |
c, pos |
从s 中位置pos 开始查找字符c 。pos 默认是0 |
s2, pos |
从s 中位置pos 开始查找字符串s 。pos 默认是0 |
cp, pos |
从s 中位置pos 开始查找指针cp 指向的以空字符结尾的C风格字符串。pos 默认是0 |
cp, pos, n |
从s 中位置pos 开始查找指针cp 指向的前n 个字符。pos 和n 无默认值。 |
s.compare的几种参数形式
逻辑类似于C标准库的strcmp
函数,根据s
是等于、大于还是小于参数指定的字符串,s.compare
返回0、正数或负数。
参数形式 |
解释 |
s2 |
比较s 和s2 |
pos1, n1, s2 |
比较s 从pos1 开始的n1 个字符和s2 |
pos1, n1, s2, pos2, n2 |
比较s 从pos1 开始的n1 个字符和s2 |
cp |
比较s 和cp 指向的以空字符结尾的字符数组 |
pos1, n1, cp |
比较s 从pos1 开始的n1 个字符和cp 指向的以空字符结尾的字符数组 |
pos1, n1, cp, n2 |
比较s 从pos1 开始的n1 个字符和cp 指向的地址开始n2 个字符 |
string和数值转换
转换 |
解释 |
to_string(val) |
一组重载函数,返回数值val 的string 表示。val 可以使任何算术类型。对每个浮点类型和int 或更大的整型,都有相应版本的to_string() 。和往常一样,小整型会被提升。 |
stoi(s, p, b) |
返回s 起始子串(表示整数内容)的数值,p 是s 中第一个非数值字符的下标,默认是0,b 是转换所用的基数。返回int |
stol(s, p, b) |
返回long |
stoul(s, p, b) |
返回unsigned long |
stoll(s, p, b) |
返回long long |
stoull(s, p, b) |
返回unsigned long long |
stof(s, p) |
返回s 起始子串(表示浮点数内容)的数值,p 是s 中第一个非数值字符的下标,默认是0。返回float |
stod(s, p) |
返回double |
stold(s, p) |
返回long double |
容器适配器(adapter)
- 适配器是使一事物的行为类似于另一事物的行为的一种机制,例如
stack
可以使任何一种顺序容器以栈的方式工作。 - 初始化
deque<int> deq; stack<int> stk(deq);
从deq
拷贝元素到stk
。 - 创建适配器时,指定一个顺序容器,可以覆盖默认的基础容器:
stack<string, vector<string> > str_stk;
。
适配器的通用操作和类型
操作 |
解释 |
size_type |
一种类型,须以保存当前类型的最大对象的大小 |
value_type |
元素类型 |
container_type |
实现适配器的底层容器类型 |
A a; |
创建一个名为a 的空适配器 |
A a(c) |
创建一个名为a 的适配器,带有容器c 的一个拷贝 |
关系运算符 |
每个适配器都支持所有关系运算符:== 、!= 、< 、 <= 、> 、>= 这些运算符返回底层容器的比较结果 |
a.empty() |
若a 包含任何元素,返回false ;否则返回true |
a.size() |
返回a 中的元素数目 |
swap(a, b) |
交换a 和b 的内容,a 和b 必须有相同类型,包括底层容器类型也必须相同 |
a.swap(b) |
同上 |
stack
操作 |
解释 |
s.pop() |
删除栈顶元素,不返回。 |
s.push(item) |
创建一个新元素,压入栈顶,该元素通过拷贝或移动item 而来 |
s.emplace(args) |
同上,但元素由args 来构造。 |
s.top() |
返回栈顶元素,不删除。 |
- 定义在
stack
头文件中。 stack
默认基于deque
实现,也可以在list
或vector
之上实现。
queue和priority_queue
操作 |
解释 |
q.pop() |
删除队首元素,但不返回。 |
q.front() |
返回队首元素的值,不删除。 |
q.back() |
返回队尾元素的值,不删除。只适用于queue |
q.top() |
返回具有最高优先级的元素值,不删除。 |
q.push(item) |
在队尾压入一个新元素。 |
q.emplace(args) |
- 定义在
queue
头文件中。 queue
默认基于deque
实现,priority_queue
默认基于vector
实现。queue
可以在list
或vector
之上实现,priority_queue
也可以用deque
实现。