侯捷 C++ STL标准库和泛型编程 | 学习笔记

1 STL概述

STL —— Standard Template Library，标准模板库

C++ Standard LIbrary，C++标准库中包含STL（即STL+一些小东西）

1.1 头文件名称

  • C++标准库的 header files 不带 .h，例如：#include<vector>
  • 新式 C header files 不带 .h，例如：#include<cstdio>
  • 老式 C header files 带 .h 仍然可用，例如：#include<stdio.h>

新式 header 内的组件封装于 namespace std

老式 header 内的组件不封装于 namespace std

1.2 STL基础介绍

STL六大部件：容器(Containers)、分配器(Allocators)、算法(Algorithms)、迭代器(Iterators)、仿函数(Functors)、适配器(Adapters)

  • 容器：放数据
  • 分配器：是来支持容器将数据放到内存里
  • 算法：是一个个函数来处理存放在容器里的数据
  • 迭代器：就是来支持算法操作容器的
  • 仿函数：作用类似函数，例如相加相减等等
  • 适配器：有三种，分别将容器，迭代器，仿函数来进行一个转换

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实例：

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  1. 首先是创建一个 container（vector）
  2. allocator 来帮助 container 来分配内存（一般会忽略不写）
  3. 用一个 Algorithm 来操作数据（count_if 是数出满足条件的个数）
  4. iterator 就是一个泛化的指针，来告诉 Algorithm 要处理哪里的数据
  5. 用一个 functor 来判断数据（less 其有两个参数传入，第一个 < 第二个就为真）
  6. 先用一个 function adapter（bind2nd）绑定了第二个参数为 40；再用一个 function adapter（not1）来对整个判断结果进行否定

判断条件 predicate 为：not1(bind2nd(less<int>(), 40)) —— 表示 >= 40 数为真

前闭后开：[ )，基本所有容器都有 begin() end()，但 begin 是指向的容器的第一个元素，而 end 是指向的容器最后一个元素的下一个

例子：遍历容器

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...
Container<T> c;
Container<T>::iterator i = c.begin();
for (; i != c.end(); ++i)
{
 ...
}


//但在C++11中可以用新语法简写
...
Container<T> c;
for (auto elem : c)
{
 ...
}

1.3 typename

在模板参数的关键字使用中与 class 是一样的

在类型前面加上 typename：

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template <typename T>
class MyTemplateClass {
public:
    typedef typename T::NestedType NestedType;
};

template <typename T>
void MyTemplateFunction() {
    typename T::SomeType variable;
    // ...
}

在这个例子中，typename 用于告诉编译器 T::NestedType 和 T::SomeType 是类型名称而不是成员变量

typename 是一个用于明确指定符号是一个类型的关键字，以帮助编译器正确解析代码并避免歧义，如果不使用 typename，编译器可能会认为符号是一个值而不是类型，导致编译错误。

2 OOP vs. GP

  • OOP —— Object-Oriented programming 面向对象编程

    将数据和操作关联到一起

    例如容器 List，其自带了一个 sort()，因为链表的存储空间不是连续的，Iterator 不能实现加减操作，所以不能使用全局的 ::sort()

  • GP —— Generic Programming 泛式编程

    将数据和操作分开

    • 容器和算法的团队就可以各自闭门造车，其间通过 Iterator 联通即可
    • 算法通过 Iterator 确定操作范围，并通过 Iterator 取用容器的元素
    • 所有的算法，其内的最终涉及元素的操作都是比大小

3 容器

3.1 容器结构分类

分类：序列式容器 Sequence Container，关联式容器 Associative Container

  • 序列式容器：按照放入的次序进行排列

    • Array 数组，固定大小
    • Vector 向量，会自动扩充大小
    • Deque 双向队列，双向都可以扩充
    • List 链表，双向链表
    • Forward-List 链表，单向链表

  • 关联式容器：有 key 和 value，适合快速的查找

    STL中实现使用红黑树（高度平衡二叉树）和哈希表

    • Set，key 就是 value，元素不可重复

    • Map，key 和 value 是分开的，元素不可重复

    • Multi~，元素是可以重复的

    • Unordered~，HashTable Separate Chaining

其中 Array，Forward-List，Unordered~ 都是C++11的

3.2 序列式容器

3.2.1 array
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#include <array>
#include <iostream>
#include <ctime> 
#include <cstdlib> //qsort, bsearch, NULL

void test_array() {
    cout << "\n test_array().......... \n";

    // 创建一个包含long型元素的array容器，ASIZE为数组的大小
    array<long, ASIZE> c;

    // 记录开始时间
    clock_t timeStart = clock();

    // 填充数组 c 中的元素，使用 rand() 生成随机数
    for (long i = 0; i < ASIZE; ++i) {
        c[i] = rand();
    }
    // 输出填充数组所花费的毫秒数
    cout << "milli-seconds : " << (clock() - timeStart) << endl;

    // 输出数组的大小、第一个元素、最后一个元素、起始地址
    cout << "array.size()= " << c.size() << endl;
    cout << "array.front()= " << c.front() << endl;
    cout << "array.back()= " << c.back() << endl;
    cout << "array.data()= " << c.data() << endl;

    // 获取目标值
    long target = get_a_target_long();

    // 记录开始时间
    timeStart = clock();
    // 使用标准库的 qsort 函数（快排）对数组 c 进行排序
    ::qsort(c.data(), ASIZE, sizeof(long), compareLongs);

    // 使用标准库的 bsearch 函数（二分查找）在排序后的数组中搜索目标值
    long* pItem = (long*)::bsearch(&target, c.data(), ASIZE, sizeof(long), compareLongs);
    // 输出排序和搜索所花费的毫秒数
    cout << "qsort()+bsearch(), milli-seconds : " << (clock() - timeStart) << endl;

    // 如果找到目标值，输出该值；否则输出未找到消息
    if (pItem != NULL)
        cout << "found, " << *pItem << endl;
    else
        cout << "not found! " << endl;
}

运行结果：

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随机数据填充容器：47ms；排序和搜索：187ms

深度探索

C++TR1下（比较简单）：

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template <typename _Tp, std::size_t _Nm>
struct array
{
	typedef _Tp value_type;
	typedef _Tp* pointer;
	typedef value_type* iterator; // 迭代器为_Tp*


	value_type _M_instance[_Nm ? _Nm : 1]; // 如果_Nm为0，就分配一个空间

	iterator begin() { return iterator(&_M_instance[0]); }
	iterator end() { return iterator(&_M_instance[_Nm]); }
	...
};

GCC4.9下（复杂且无益处）：

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// GCC4.9通过多个typedef以下面的逻辑创建的array里的data
typedef int T[100]; // T即类型int[100] 
T c; // 与int c[100]一样
3.2.2 vector
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#include <vector>
#include <stdexcept>
#include <string>
#include <cstdlib> //abort()
#include <cstdio>  //snprintf()
#include <iostream>
#include <ctime> 
#include <algorithm> 	//sort()

// 测试函数，接受一个引用类型的长整型参数
void test_vector(long& value)
{
    cout << "\ntest_vector().......... \n";
     
    vector<string> c;  	// 创建一个字符串类型的向量
    char buf[10];
    
    clock_t timeStart = clock();	// 记录开始时间							
    for(long i=0; i< value; ++i)	// 循环插入随机生成的字符串
    {
        try {
            snprintf(buf, 10, "%d", rand());	// 将随机整数转换为字符串
            c.push_back(string(buf));     	// 将字符串添加到向量中
        } // 这里是处理异常，如内存不够
        catch(exception& p) {
            cout << "i=" << i << " " << p.what() << endl;	
            // 输出出现异常的信息以及对应的索引值
            // 曾經最高 i=58389486 then std::bad_alloc
            abort();	// 异常处理后中止程序
        }
    }
    cout << "milli-seconds : " << (clock()-timeStart) << endl;	// 输出填充向量花费时间
    cout << "vector.max_size()= " << c.max_size() << endl;	// 输出向量的最大容量
    cout << "vector.size()= " << c.size() << endl;	// 输出向量的实际大小
    cout << "vector.front()= " << c.front() << endl;	// 输出向量的首元素
    cout << "vector.back()= " << c.back() << endl;	// 输出向量的末尾元素
    cout << "vector.data()= " << c.data() << endl;	// 输出向量地址
    cout << "vector.capacity()= " << c.capacity() << endl << endl;	// 输出向量的容量

    // 直接find来查找————次序查找
    string target = get_a_target_string();	// 获取一个目标字符串
    {
        timeStart = clock();	// 记录开始时间
        auto pItem = find(c.begin(), c.end(), target);	// 在向量中查找目标字符串
        cout << "std::find(), milli-seconds : " << (clock()-timeStart) << endl;  
        
        if (pItem != c.end())
            cout << "found, " << *pItem << endl << endl;	// 输出找到的目标字符串
        else
            cout << "not found! " << endl << endl;	// 输出未找到目标字符串
    }

    // 先排序再二分法查找
    {
        timeStart = clock();	// 记录开始时间
        sort(c.begin(), c.end());	// 对向量中的字符串进行排序
        cout << "sort(), milli-seconds : " << (clock()-timeStart) << endl; 
        
        timeStart = clock();	    
        string* pItem = (string*)::bsearch(&target, (c.data()), 
                                           c.size(), sizeof(string), compareStrings); 
        cout << "bsearch(), milli-seconds : " << (clock()-timeStart) << endl; 
       
        if (pItem != NULL)
            cout << "found, " << *pItem << endl << endl;	// 输出在排序后向量中找到的目标字符串
        else
            cout << "not found! " << endl << endl;	// 输出在排序后向量中未找到目标字符串
    }
    
    c.clear();	// 清空向量中的数据
    test_moveable(vector<MyString>(),vector<MyStrNoMove>(), value);	// 调用另一个函数进行测试
}

这是 array 在后面插入元素，其中若空间 capacity 不够，其会进行两倍扩充——即空间不够时会将原来的空间 *2

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c.push_back(string(buf));

运行结果：

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随机数据填充容器：3063ms；直接搜索：0ms（运气很好）；排序后二分查找：2765ms

深度探索

GCC2.9下：

一共3个指针：start，finish，end_of_storage

所以 sizeof(vector<int>) 是12

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template <class T, class Alloc = alloc>
class vector
{
public:
	typedef T value_type;
	typedef value_type* iterator; // 迭代器就是T*
	typedef value_type& reference;
	typedef size_t size_type;
protected:
	iterator start;
	iterator finish;
	iterator end_of_storage;
public:
	iterator begin() { return start; }
	iterator end() { return finish; }
	size_type size() const { return size_type(end() - begin()); }
	size_type capacity() const { return size_type(end_of_storage - begin()); }
	bool empty() const { return begin() == end(); }
	reference operator[](size_type n) { return *(begin() + n); }
    // 所有连续储存的容器都有[]的重载
	reference front() { return *begin(); }
	reference back() { return *(end() - 1); }
}

vector 每次成长会大量调用元素的拷贝构造函数和析构函数，是一个大成本

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void push_back(const T& x)
{
    if (finish != end_of_storage) // 还有备用空间
    {
        construct(finish, x); // 全局函数
        ++finish;
    }
    else // 无备用空间
        insert_aux(end(), x);
}

template <class T, class Alloc>
void vector<T, Alloc>::insert_aux(iterator position, const T& x){
if (finish != end_of_storage){ // insert_aux还会被其他函数调用所以还有检查
    // 在‘备用空间起始处’构建一个元素以vector最后一个元素为初值
    // insert_aux也可能被insert调用，元素插入位置不定
    construct(finish, *(finish - 1));
    ++finish;
    T x_copy = x;
    copy_backward(position, finish - 2, finish - 1);
    *position = x_copy;
}
else{
    const size_type old_size = size();
    const size_type len = old_size != 0 ? 2 * old_size : 1;
    // 原大小为0，则分配1；否则，分配原大小的2倍
    
    iterator new_start = data_allocator::allocate(len);
    iterator new_finish = new_start;
    try{
        // 拷贝安插点前的原内容
        new_finish = uninitialized_copy(start, position, new_start);
        construct(new_finish, x);
        ++new_finish;
        // 拷贝安插点后的原内容
        new_finish = uninitialized_copy(position, finish, new_finish);
    }
    catch (...){
        destroy(new_start, new_finish);
        data_allocator::deallocate(new_start, len);
        throw;
    }
    // 解构并释放原vector
    destroy(begin(), end());
    deallocate();
    // 调整迭代器，指向新vector
    start = new_start;
    finish = new_finish;
    end_of_storage = new_start + len;
}

GCC4.9下变得复杂：

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且迭代器也变得乱七八糟，舍近求远，何必如此！！

3.2.3 list
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// 同理
void test_list(long& value)
{ 
    ...
        
    list<string> c;  // 创建一个字符串列表  	
    char buf[10];  // 字符串缓冲区
	
    ...
		
    string target = get_a_target_string();  // 获取目标字符串		
    timeStart = clock();		
    auto pItem = find(c.begin(), c.end(), target);  // 在列表中查找目标字符串						
    cout << "std::find()，milli-seconds : " << (clock()-timeStart) << endl;  // 输出查找时间		
	
    ...
    	
    timeStart = clock();		
    c.sort();  // 对列表进行排序						
    cout << "c.sort(), milli-seconds : " << (clock()-timeStart) << endl;  // 输出排序时间		    	

    c.clear();  // 清空	 
}

注意： c.sort(); 是容器自带的排序函数，如果容器自带肯定是要比全局的排序函数好的

list 同样也是用 c.push_back(string(buf)); 往里添加元素的

运行结果：

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随机数据填充容器：3265ms；直接搜索：16ms；排序：2312ms

深度探索

GCC2.9中

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// list class
template <class T, class Alloc = alloc>
class list
{
protected:
	typedef __list_node<T> list_node;
public:	
	typedef list_node* link_type;
	typedef __list_iterator<T, T&, T*> iterator; // 迭代器，每一个容器都会 typedef
	// 只传一个参数就行了 不理想
protected:
	link_type node; // 一个 __list_node<T> 的指针
...
};

// 节点 class
template <class T>
struct __list_node
{
	typedef void* void_pointer; // 每次用还要转换类型 不理想
	void_pointer prev;
	void_pointer next;
	T data;
};

除了 array，vector 这样是连续存储的容器，其他容器的 iterator 都是智能指针，其有大量的操作符重载 —— 模拟指针

基本上所有的 iterator 都有下面5个 typedef 和一大堆操作符重载

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// iterator class
template <class T, class Ref, class Ptr>
struct __list_iterator
{
	typedef __list_iterator<T, T&, T*> self;
	typedef bidirectional_iterator_tag iterator_category; // (1)双向迭代器	
	typedef T value_type; // (2)迭代器所指对象的类型
	typedef Ptr pointer; // (3)迭代器所指对象的指针类型
	typedef Ref reference; // (4)迭代器所指对象的引用类型
	typedef __list_node<T>* link_type;
	typedef ptrdiff_t difference_type; // (5)两个迭代器之间的距离类型

	link_type node; // iterator本体，一个指向__list_node<T>的指针

	reference operator*() const { return (*node).data; }
	pointer operator->() const { return &(operator*()); }
	self& operator++() // ++i
    {
        node = (link_type)((*node).next); // 移到下一个节点
        return *this; 
    }
	self operator++(int) // i++ 为了区分加上了一个参数其实无用
    {
        self tmp = *this; 
        ++*this; 
        return tmp; 
    }
	...
};

注意：self operator++(int){...} 的 self tmp = *this; 中，由于先调用了 = 唤起了 copy ctor 用以创建 tmp 并以 *this 为初值，所以不会唤起 operator* —— *this 已经被解释为 ctor 的参数

下面的 ++*this; 同理

与 int 类似：iterator 可以连续前++，但不能连续后++

image-20230822173147636image-20230822173354379

所以前++是返回引用，后++返回值

因为要符合前闭后开原则，所以在 list 尾端加上了一个空白节点

image-20230827092146933

GCC4.9中做出了改进：

  • 迭代器模板参数从三个 –> 只有一个
  • 节点 class 中的前后指针类型从 void* –> _LIst_node_base*

image-20230827091438719

在GCC4.9中 sizeof(list<int>) 是 8

在GCC2.9中 sizeof(list<int>) 是 4

3.2.4 forward_list
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// 同理
void test_forward_list(long& value)
{
    ...
     
    forward_list<string> c;  // 创建一个前向列表  	
    char buf[10];  // 字符串缓冲区
			
    ...
    
    
    string target = get_a_target_string();  // 获取目标字符串	
    timeStart = clock();	
    auto pItem = find(c.begin(), c.end(), target);  // 在前向列表中查找目标字符串	
    cout << "std::find()，milli-seconds : " << (clock()-timeStart) << endl;  // 输出查找时间		
	
    ...
    	
    timeStart = clock();		
    c.sort();  // 进行排序					
    cout << "c.sort()， milli-seconds : " << (clock()-timeStart) << endl;  // 输出排序时间		
	
    c.clear();  // 清空	 
}

注意：forward_list 只有 c.push_front(); 且没有 forward_list.back() forward_list.size()

运行结果：

image-20230819110505646

随机数据填充容器：3204ms；直接搜索：15ms；排序：2656ms

深度探索

与 list 相似，略

image-20230827201331283

3.2.6 deque
测试

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类似vector，两边都能扩充，实际上是分段连续的

其是通过 map（是一个vector，但在扩充时会 copy 到中间）里的指针指向各个 buffer，buffer 里再存数据，每个 buffer 的大小一致，每次扩充都是扩充一个指针指向一个新的 buffer

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map其实是vector，它扩充的时候会增长为原来的2倍，移动原数据到新内存空间的时候，它会放到新内存空间的中间，方便扩充

比如：原来大小为8，扩充为16，那原来这8个放在 5-12这个位置，前面和留后面留着扩充

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void test_deque(long& value)
{
    ...
     
    deque<string> c;  // 创建一个双端队列  	
    char buf[10];  // 字符串缓冲区
	
    ...
    
    string target = get_a_target_string();  // 获取目标字符串	
    timeStart = clock();	
    auto pItem = find(c.begin(), c.end(), target);  // 在队列中查找目标字符串	
    cout << "std::find()，milli-seconds : " << (clock()-timeStart) << endl;  // 输出查找时间		
	
    ...
    	
    timeStart = clock();		
    sort(c.begin(), c.end());  // 对队列进行排序					
    cout << "sort()，milli-seconds : " << (clock()-timeStart) << endl;  // 输出排序时间		
	
    c.clear();  // 清空队列
}

运行结果：

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随机数据填充容器：2704ms；直接搜索：15ms；排序：3110ms

下面的 stack 和 queue 内部都是一个 deque，所以技术上这两个可以看作容器适配器 Container Adapter

深度探索

GCC2.9下

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template <class T, class Alloc = alloc, size_t BufSiz = 0>
class deque
{
public:
	typedef T value_type;
	typedef __deque_iterator<T, T&, T*, BufSiz> iterator;
	typedef size_t size_type;
	typedef T* pointer;
protected:
	typedef pointer* map_pointer; // T** 指向指针的指针
protected:
	iterator start;
	iterator finish;
	map_pointer map;
	size_type map_size;
    // 两个迭代器:16*2，一个指针:4，一个size_t:4，一共40字节
public:
	iterator begin() { return start; }
	iterator end() { return finish; }
    size_type size() const { return finish - start; }
    ...
};

注意：第三个模板参数 size_t BufSiz = 0 有一个函数：

如果不为0，则 buffer size 就是传入的数据

如果为0，表示预设值，那么

如果 sz = sizeof(value_type) < 512，传回 512/sz
如果 sz = sizeof(value_type) >= 512，传回 1

迭代器四个指针，cur 指向当前元素，first 指向当前 buffer 的第一个元素，last 指向当前 buffer 的最后一个元素的下一个，node 指向当前 buffer 在 map（控制中心）的指针

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// deque迭代器
template <class T, class Ref, class Ptr, size_t BufSiz>
struct __deque_iterator
{
	typedef random_access_iterator_tag iterator_category; // (1)
	typedef T value_type; // (2)
	typedef Ptr pointer; // (3)
	typedef Ref reference; // (4)
	typedef size_t size_type;
	typedef ptrdiff_t difference_type; // (5)
	typedef T** map_pointer;
	typedef __deque_iterator self;

	T* cur;
	T* first;
	T* last;
	map_pointer node; // 指向指针的指针
    // 四个指针，一共16字节
	...
};

deque 中的 insert 函数：

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iterator insert(iterator position, const T& x)
{
    if (position.cur == start.cur) // 插入点在deque最前端      
    {							// 交给push_front
        push_front(x);
        return start;
    }
    else if (position.cur == finish.cur) // 插入点在deque最尾端
    {								  // 交给push_front
        push_back(x);
        iterator tmp = finish;
        --tmp;
        return tmp;
    }
    else // 在中间插入
    {
        return insert_aux(position, x);
    }   
}

iterator insert_aux(iterator pos, const T& x)
{
    difference_type index = pos - start; // 安插点前元素个数
    value_type x_copy = x;
    if (index < size() / 2) // 安插点前的元素少————搬前面的
    {
        push_front(front());
        ...
        copy(front2, pos1, front1); // 搬元素
    }
    else // 安插点后的元素少————搬后面的
    {
        push_back(back());
        ...
        copy_backward(pos, back2, back1);
    }
    *pos = x_copy; // 安插点设新值
    return pos;
}

deque 模拟连续空间（deque iterator 的功能）：

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  • -：两个位置之间的距离——前闭后开的元素个数

    两个位置之间的距离 = buffer_size * 两个位置之间 buffer 的数量 + 末尾位置到 buffer 前端的长度 + 起始位置到 buffer 末尾的长度

  • ++/--：注：下面带参数的是后++（i++）

  • +=/+：

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    self& operator+=(difference_type n)
    {
        difference_type offset = n + (cur - first);  
        if (offset >= 0 && offset < difference_type(buffer_size()))  
            // 若+了之后在缓冲区大小范围内
            cur += n;  // 直接移动迭代器 n 步
        else
        {
            difference_type node_offset = offset > 0 ? offset / difference_type(buffer_size()) 
                : -difference_type((-offset - 1) / buffer_size()) - 1;
            // 计算偏移的节点数，offset > 0判断是为了之后的-=/-
            // 这里(-offset - 1)后除buffer_size()再-1是为了offset==buffer_size()的情况
            set_node(node + node_offset);  // 调整节点，使迭代器指向正确的节点
            cur = first + (offset - node_offset * difference_type(buffer_size()));  // 调整迭代器位置
        }
        return *this;
    }

    self operator+(difference_type n) const
    {
        self tmp = *this;  // 复制当前迭代器
        return tmp += n;   // 返回向前移动 n 步后的迭代器副本
    }

  • -=/-：

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    // -就等于+负的
    self& operator-=(difference_type n) { return *this += -n; }
    self operator-(difference_type n) const
    {
        self tmp = *this;
        return tmp -= n;
    }

  • []：

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    reference operator[](difference_type n) const 
    { return *(*this + n); }

GCC4.9下：其实没必要这样

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G2.91 允许指派 buffer_size

G4.53 不允许了

3.2.7 stack，queque
测试

stack：

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queue：

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stack，queue 是通过 push() 和 pop() 来放取元素的，且无iterator 的操作

深度探索

stack 和 queue 内部默认用 deque 来实现，所以有时候不会将这两个认为容器而是一个适配器

  • 底层函数可以使用 list 和 deque（deque默认更快）
  • queue 不能用 vector，stack 可以用 vector
  • set，map 都不能用

用时编译器可以通过的，但在具体使用函数时，若遇到底层容器没有这个函数时，就会报错

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// queue
template<class T, class Sequence = deque<T>>
class queue
{
	...
protected:
	Sequence c; // 底层容器
public:
    // 都是通过底层容器来实现
	bool empty() const { return c.empty(); }
	size_type size() const { return c.size(); }
	reference front() { return c.front(); }
	const_reference front() const { return c.front(); }
	reference back() { return c.back(); }
	const_reference back() const { return c.back(); }
	void push(const value_type& x) { c.push_back(x); }
	void pop() { c.pop_front(); }
};

// stack
template<class T, class Sequence = deque<T>>
class stack
{
	...
protected:
	Sequence c; // 底层容器
public:
    // 都是通过底层容器来实现
	bool empty() const { return c.empty(); }
	size_type size() const { return c.size(); }
	reference top() { return c.back(); }
	const_reference top() const { return c.back(); }
	void push(const value_type& x) { c.push_back(x); }
	void pop() { c.pop_back(); }
};

stack，queue 都不允许遍历，也不提供 iterator

3.3 关联式容器

3.3.0 RB-Tree

红黑树（Red-Black Tree）是一种自平衡的二叉搜索树 BST（AVL 是另一种），其设计目标是在最坏情况下也能保证基本的动态集合操作（如插入、删除和查找）的时间复杂度为O(log n)。红黑树通过一系列的颜色和性质约束来维持其平衡性，这些约束包括：

  1. 节点是红色或黑色：每个节点都有一个颜色属性，可以是红色或黑色。
  2. 根节点是黑色：确保树的根始终为黑色，这有助于维持树的平衡。
  3. 所有叶子节点都是黑色：这里的叶子节点指的是树中的空节点（NIL节点），它们被假定为黑色。
  4. 红色节点的子节点必须是黑色（也称为“不能有两个连续的红色节点”）：这个性质确保了在任何路径上，红色节点不会紧密相连，从而限制了树的高度。
  5. 从任一节点到其每个叶子的所有路径都包含相同数目的黑色节点：这个性质被称为“黑色平衡性质”，它确保了树在整体上保持平衡。

rb-tree 提供遍历操作和 iterators，按中序遍历遍历，便可以得到排序状态

不能用 iterator 去改变元素的 key（其有严谨的排列规则）

rb-tree 提供两种 insertion 操作：insert_unique() 和 insert_equal()，前者表示 key 独一无二，后者表示 key 可重复

GCC2.9下：

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template<class Key, // key的类型
		 class Value, // Value里包含key和date
		 class KeyOfValue, // 从Value中取出key的仿函数
		 class Compare, // 比较key大小的仿函数
		 class Alloc = alloc>
class rb_tree
{
protected:
	typedef __rb_tree_node<Value> rb_tree_node;
	...
public:
	typedef rb_tree_node* link_type;
	...
protected:
	size_type node_count; // rb-tree节点数量，大小4
	link_type header; // 头指针，大小4
	Compare Key_compare; // key比大小的仿函数，大小1
    // sizeof: 9 ——> 12(填充到4的倍数)
    ...
};

GCC4.9下：

image-20230830093745761

_M_color 是 “枚举”（Enumeration）

3.3.1 set / multiset

set/multiset的value和key合一，value就是key

测试

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void test_multiset(long& value)
{
    cout << "\ntest_multiset().......... \n";
     
    multiset<string> c;  // 创建一个multiset  	
    char buf[10];		
    clock_t timeStart = clock();  // 记录起始时间							
    for(long i=0; i< value; ++i)  // 添加元素到multiset中
    {
        try {
            snprintf(buf, 10, "%d", rand());  // 将随机数转换为字符串格式
            c.insert(string(buf));  // 将字符串插入multiset中     				
        }
        catch(exception& p) {  // 捕获可能的异常
            cout << "i=" << i << " " << p.what() << endl;  // 输出异常信息
            abort();  // 终止程序
        }
    }
    cout << "毫秒数 : " << (clock()-timeStart) << endl;  // 输出时间差，计算插入时间	
    cout << "multiset.size()= " << c.size() << endl;  // 输出multiset大小	
    cout << "multiset.max_size()= " << c.max_size() << endl;  // 输出multiset的最大容量
    
    string target = get_a_target_string();	
    {
        timeStart = clock();
        auto pItem = find(c.begin(), c.end(), target);  // 在multiset中使用 std::find(...) 查找目标字符串
        cout << "std::find()，毫秒数 : " << (clock()-timeStart) << endl;		
        ...
    }
 	
    {
        timeStart = clock();		
        auto pItem = c.find(target);  // 在multiset中使用 c.find(...) 查找目标字符串
        cout << "c.find()，毫秒数 : " << (clock()-timeStart) << endl;		 
        ...
    }	
	 
    c.clear();  // 清空multiset
}

安插元素是使用 insert()，其位置由红黑树决定

容器自己有 c.find()，其会比全局的 ::find() 快

运行结果：

image-20230819162112550

随机数据填充容器：6609ms（其在填充的时候就进行排序了）；直接搜索 ::find()：203ms；c.find()：0ms

深度探索

以 rb-tree 为底层结构，因此有——元素自动排序，key 与 value 和一

set / multiset 提供遍历操作和 iterators，按中序遍历遍历，便可以得到排序状态

禁止用 iterator 去改变元素的值（其有严谨的排列规则）

set的key 独一无二，其 insert() 操作用的 rb-tree 的：insert_unique()

multiset 的 key 可以重复，其 insert() 操作用的 rb-tree 的：insert_equal()

GCC2.9下：

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// set
template <class Key, class Compare = less<Key>, class Alloc = alloc>
class set
{
public:
	typedef Key key_type;
	typedef Key value_type;
	typedef Compare key_compare;
	typedef Compare value_compare;
private:
	typedef rb_tree<key_type, value_type, identity<value_type>, 
    			    key_compare, Alloc> rep_type;
	rep_type t; // 采用红黑树作为底层机制
public:
	typedef typename rep_type::const_iterator iterator;
	// 注意：这里是const_iterator，所以不能用iterator改元素
    ...
};
3.3.2 map / multimap

key是key,val是val

测试

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void test_multimap(long& value)
{
    ...
    multimap<long, string> c;  // 创建一个multimap，key 为 long 类型，value 为 string 类型  	
    char buf[10];
    clock_t timeStart = clock();  // 记录起始时间							
    for(long i=0; i< value; ++i)  // 添加元素到multimap中
    {
        try {
            snprintf(buf, 10, "%d", rand());  // 将随机数转换为字符串格式并复制到缓冲区
            // multimap 不可使用 [] 做 insertion 
            c.insert(pair<long, string>(i, buf));  // 将元素插入multimap中   						
        }
        catch(exception& p) {  // 捕获可能的异常
            cout << "i=" << i << " " << p.what() << endl;  // 输出异常信息
            abort();  // 终止程序
        }
    }
    cout << "毫秒数 : " << (clock()-timeStart) << endl;  // 输出时间差，计算插入时间	
    cout << "multimap.size()= " << c.size() << endl;  // 输出multimap大小
    cout << "multimap.max_size()= " << c.max_size() << endl;  // 输出multimap的最大容量
    
    long target = get_a_target_long();		
    timeStart = clock();		
    auto pItem = c.find(target);  // 在multimap中查找目标 key								
    cout << "c.find()，毫秒数 : " << (clock()-timeStart) << endl;	 
    
    if (pItem != c.end())
        cout << "找到，value=" << (*pItem).second << endl;  // 如果找到，输出找到的值
    else
        cout << "未找到！" << endl;  // 如果未找到，输出未找到的信息	
    
    c.clear();  // 清空multimap		  					
}

c.insert(pair<long, string>(i, buf)); 中 key 是从1~1000000，value 是随机取的，将其组合为 pair 插入

运行结果：

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随机数据填充容器：4812ms（其在填充的时候就进行排序了）；c.find()：0ms

深度探索

以 rb-tree 为底层结构，因此有——元素自动排序

map/ multimap 提供遍历操作和 iterators，按中序遍历遍历，便可以得到排序状态

不能用 iterator 去改变元素的key（其有严谨的排列规则），但可以用 iterator 去改变元素的 data

因此 map / multimap 将 user 指定的 key_type 设定成 const

map的key 独一无二，其 insert() 操作用的 rb-tree 的：insert_unique()

multimap 的 key 可以重复，其 insert() 操作用的 rb-tree 的：insert_equal()

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template <class Key, // key的类型
		 class T, // data的类型
		 class Compare = less<Key>, 
		 class Alloc = alloc>
class map
{
public:
	typedef Key key_type;
	typedef T data_type;
	typedef T mapped_type;
	typedef pair<const Key, T> value_type;
    // 注意：这里是const Key ———— 防止改key
	typedef Compare key_compare;
private:
	typedef rb_tree<key_type, value_type, select1st<value_type>, key_compare, Alloc> rep_type;
	rep_type t; // 采用红黑树作为底层机制
public:
	typedef typename rep_type::iterator iterator;
	...
};

map 的插入元素有特殊写法：c[i] = string(buf)，其中 i 就是 key；multimap没有

map 的 [] 功能：

访问元素： 如果指定的键存在于映射中，map[key] 将返回与该键关联的 data；如果键不存在，map[key] 将自动创建一个新的键值对，key 为指定的 key，data 为默认 data，并返回这个默认 data

3.3.3 HashTable

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  • 元素的位置 = key % bucket大小

  • bucket vector 的大小为质数

  • 当元素个数大于 bucket 的总数时，bucket vector 扩充并重新打散放在新计算的 bucket 中（rehashing 很花时间）—— bucket 一定比元素多

    在扩充时，按 vector 扩充为2倍大小，但会选择靠进这个数的一个质数做新的大小

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template <class Value, // Value里包含key和date
		  class Key, // key的类型
		  class HashFcn, // hash函数
		  class ExtractKey, // 从Value中取出key的方法
		  class EqualKey, // 判断key相等的函数
		  class Alloc>
class hashtable
{
public:
	typedef HashFcn hasher; 
	typedef EqualKey key_equal; // 判断key相等的函数
	typedef size_t size_type;
private:
    // 3个函数对象，大小一共3（应该是0，因为一些因素）
	hasher hash;
	key_equal equals;
	ExtractKey get_key;

	typedef __hashtable_node<Value> node;

	vector<node*, Alloc> buckets; // vector里3个指针，大小12
	size_type num_elements; // 大小4
    // 一共19 ——> 20（调整为4的倍数）
public:
	size_type bucket_count() const { return buckets.size(); }
};

Hash函数：

给传进来的参数生成一个编号

偏特化写不同类型的 hash 函数，下图都是数值类型，直接返回就可以

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下图对 c 风格的字符串做了处理（也可以自己设计），来生成 hash code

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注意：老版本STL没有提供现成的 string 类型的 hash 函数

3.3.4 unordered容器
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void test_unordered_multiset(long& value)
{
    cout << "\ntest_unordered_multiset().......... \n";
     
    unordered_multiset<string> c;  // 创建一个 unordered_multiset  	
    char buf[10];
    clock_t timeStart = clock();  // 记录起始时间							
    for(long i=0; i< value; ++i)  // 添加元素到 unordered_multiset 中
    {
        try {
            snprintf(buf, 10, "%d", rand());  // 将随机数转换为字符串格式
            c.insert(string(buf));  // 将字符串插入 unordered_multiset 中   			  		
        }
        catch(exception& p) {  // 捕获可能的异常
            cout << "i=" << i << " " << p.what() << endl;  // 输出异常信息
            abort();  // 终止程序
        }
    }
    cout << "毫秒数 : " << (clock()-timeStart) << endl;  // 输出时间差，计算插入时间	
    cout << "unordered_multiset.size()= " << c.size() << endl;  // 输出 unordered_multiset 大小
    cout << "unordered_multiset.max_size()= " << c.max_size() << endl;  // 输出 unordered_multiset 的最大容量
    cout << "unordered_multiset.bucket_count()= " << c.bucket_count() << endl;  // 输出 unordered_multiset 的桶数量
    cout << "unordered_multiset.load_factor()= " << c.load_factor() << endl;  // 输出 unordered_multiset 的负载因子
    cout << "unordered_multiset.max_load_factor()= " << c.max_load_factor() << endl;  // 输出 unordered_multiset 的最大负载因子
    cout << "unordered_multiset.max_bucket_count()= " << c.max_bucket_count() << endl;  // 输出 unordered_multiset 的最大桶数量
    for (unsigned i=0; i< 20; ++i) {
        cout << "bucket #" << i << " has " << c.bucket_size(i) << " elements.\n";  // 输出前20个桶中的元素数量
    }					
				
    string target = get_a_target_string();	
    {
        timeStart = clock();
        auto pItem = find(c.begin(), c.end(), target);  // 在 unordered_multiset 中使用 std::find(...) 查找目标字符串
        cout << "std::find()，毫秒数 : " << (clock()-timeStart) << endl;	
        if (pItem != c.end())
            cout << "found, " << *pItem << endl;  // 如果找到，输出找到的元素
        else
            cout << "not found! " << endl;  // 如果未找到，输出未找到的信息	
    }
 
    {
        timeStart = clock();		
        auto pItem = c.find(target);  // 在 unordered_multiset 中使用 c.find(...) 查找目标字符串
        cout << "c.find()，毫秒数 : " << (clock()-timeStart) << endl;	 
        if (pItem != c.end())
            cout << "found, " << *pItem << endl;  // 如果找到，输出找到的元素
        else
            cout << "not found! " << endl;  // 如果未找到，输出未找到的信息	
    }		
	 
    c.clear();  // 清空unordered_multiset
}

运行结果：

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随机数据填充容器：4406ms；直接搜索 ::find()：109ms；c.find()：0ms；前二十个 bucket 中只有一个有24个元素

深度探索

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4 分配器

4.1 测试

分配器都是与容器共同使用的，一般分配器参数用默认值即可

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list<string, allocator<string>> c1;

不建议直接用分配器分配空间，因为其需要在释放内存时也要指明大小

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int* p; 	
p = allocator<int>().allocate(512, (int*)0); // 临时变量调用函数
allocator<int>().deallocate(p,512); // 释放时需要指明之前申请的大小

4.2 源码解析

VC6下：allocator 中有 allocate，deallocate 其分别用函数 ::operator new 和 ::operator delete 来调用 c 中的 malloc 和 free

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pointer allocate(size_type _N, const void*){...} // 后面一个参数只是用来指明类型的
void deallocate(void _FARQ *_P, size_type){...}

这里经过包装还是调用的 malloc 和 free，其执行效率变慢；且如果申请的空间比较小，会有较大比例的额外开销（cookie，调试模式所需空间等等）

GCC2.9 下：其容器都是调用的名叫 alloc 的分配器

在这里插入图片描述

其从0到15有一共16个链表，分别代表8字节到168字节，例如 #0 的位置用 malloc 要一大块内存，然后做切割，切成一块一块的8字节空间*不带cookie，用单向链表穿起来；当要申请6字节的大小的空间时，其就会到 #0 中占用一块 —— 节省空间

在 GCC4.9 中各个容器又用回了 allocator，而上面的 alloc 变成了__poll_alloc

5 迭代器

迭代器必须能回答算法的所有提问，才能搭配该算法的所有操作

5.1 迭代器的设计准则

Iterator 必须提供5种 associated type（说明自己的特性的）来供算法来识别，以便算法正确地使用 Iterator

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template <class T, class Ref, class Ptr>
struct __list_iterator
{
    ...
	typedef bidirectional_iterator_tag iterator_category; // (1)迭代器类别：双向迭代器	
	typedef T value_type; // (2)迭代器所指对象的类型
	typedef Ptr pointer; // (3)迭代器所指对象的指针类型
	typedef Ref reference; // (4)迭代器所指对象的引用类型
	typedef ptrdiff_t difference_type; // (5)两个迭代器之间的距离类型
    // iter1-iter2 时，要保证数据类型以存储任何两个迭代器对象间的距离
    ...

}
// 迭代器回答

// | Λ
// | |
// | | 
// V |

// 算法直接提问
template <typename I>
inline void algorithm(I first, I last)
{
    ...
    I::iterator_category
    I::pointer
    I::reference
    I::value_type
    I::difference_type
    ...
}

但当 Iterator 并不是 class 时，例如指针本身，就不能 typedef 了 —— 这时就要设计一个 Iterator Traits

Traits：用于定义类型特征的信息，从而在编译时根据类型的不同进行不同的操作或处理 —— 类似一个萃取机（针对不同类型做不同操作：偏特化）

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// I是class iterator进
template <class I>
struct Iterator_traits
{
	typedef typename I::iterator_category iterator_category;
	typedef typename I::value_type value_type;
	typedef typename I::difference_type difference_type;
	typedef typename I::pointer pointer;
	typedef typename I::reference reference;
    // typename用于告诉编译器，接下来的标识符是一个类型名，而不是一个变量名或其他名称
    // I::iterator_category 是一个类型名
    // iterator_category是这个迭代器类型内部的一个嵌套类型（typedef ...）
};

// I是指向T的指针进
template <class T>
struct Iterator_traits<T*>
{
	typedef random_access_iterator_tag iterator_category;
	typedef T value_type;
	typedef ptrdiff_t difference_type;
	typedef T* pointer;
	typedef T& reference;
};

// I是指向T的常量指针进
template <class T>
struct Iterator_traits<const T*>
{
	typedef random_access_iterator_tag iterator_category;
	typedef T value_type; // 注意是T而不是const T
    // 按理说是const T，但声明一个不能被赋值的变量无用
    // 所以value_type不应加上const
	typedef ptrdiff_t difference_type;
	typedef const T* pointer;
	typedef const T& reference;
};

除了 Iterator Traits，还有很多其他 Traits

5.2 迭代器的分类

迭代器的分类对算法的效率有很大的影响

  1. 输入迭代器 input_iterator_tag：istream迭代器
  2. 输出迭代器 output_iterator_tag：ostream迭代器
  3. 单向迭代器 forward_iterator_tag：forward_list，hash类容器
  4. 双向迭代器 bidirectional_iterator_tag： list、红黑树容器
  5. 随机存取迭代器 random_access_iterator_tag：array、vector、deque

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用有继承关系的class实现：

  1. 方便迭代器类型作为参数进行传递，如果是整数的是不方便的
  2. 有些算法的实现没有实现所有类型的迭代器类别，就要用继承关系去找父迭代器类别
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struct input_iterator_tag {};
struct output_iterator_tag {};
struct forward_iterator_tag : public input_iterator_tag {};
struct bidirectional_iterator_tag : public forward_iterator_tag {};
struct random_access_iterator_tag : public bidirectional_iterator_tag {};

5.3迭代器对算法的影响

1.算法 distance 将会按照迭代器的类别进行不同的操作以提升效率

  • 如果迭代器可以跳，直接 last - first 即可
  • 如果迭代器不能跳，就只能一步一步走来计数

两者的效率差别很大

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但如果迭代器类别是 farward_iterator_tag 或者 bidirectional_iterator_tag，该算法没有针对这种类型迭代器实现，就可以用继承关系来使用父类的实现（继承关系——“is a” 子类是一种父类，当然可以用父类的实现）

2.算法 copy 将经过很多判断筛选来找到最高效率的实现

其中用到了 Iterator Traits 和 Type Traits 来进行筛选

has trivial op=() 是指的有不重要的拷贝赋值函数（例如复数用的自带的拷贝赋值函数）

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注意：由于 output_iterator_tag（例如 ostream_iterator）是 write-only，无法用 * 来读取内容，所以在设计时就需要再写个专属版本

在源码中，算法都是模板函数，接受所有的 iterator，但一些算法只能用特定的 iterator，所以其会在模板参数的名称上进行暗示：

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6 算法

算法的标准样式：需要传进去两个指针

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6.1 算法源码

算法一般最后一个参数会允许我们传入一个函数对象，使得原来的函数对元素的操作有一定的规则

6.1.1 accumulate

两个版本：

  1. 元素累加到 init 上

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    template <class InputIterator, class T>
    T accumulate(InputIterator first, InputIterator last, T init)
    {
    	for (; first != last; ++first)
    		init = init + *first; // 累加到init
    	return init;
    }

  2. 元素累运算到 init 上

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    template <class InputIterator, class T, class BinaryOperation>
    T accumulate(InputIterator first, InputIterator last, T init, BinaryOperation binary_op)
    {
    	for (; first != last; ++first)
    		init = binary_op(init, *first); // 累运算到init上
    	return init;
    }

这里可以用任意的二元操作（可以是函数，也可以是仿函数）

测试：

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#include <iostream>     // std::cout
#include <functional>   // std::minus
#include <numeric>      // std::accumulate

// 函数
int myfunc (int x, int y) {return x+2*y;}

// 仿函数
struct myclass {
	int operator()(int x, int y) {return x+3*y;}
} myobj;

void test_accumulate()
{
  cout << "\ntest_accumulate().......... \n";	
  int init = 100;
  int nums[] = {10,20,30};

  cout << "using default accumulate: ";
  cout << accumulate(nums,nums+3,init);  //160
  cout << '\n';

  cout << "using functional's minus: ";
  cout << accumulate(nums, nums+3, init, minus<int>()); //40
  cout << '\n';

  cout << "using custom function: ";
  cout << accumulate(nums, nums+3, init, myfunc);	//220
  cout << '\n';

  cout << "using custom object: ";
  cout << accumulate(nums, nums+3, init, myobj);	//280
  cout << '\n';
}
6.1.2 for_each

让范围里的所有元素都依次做同一件事情

Function 可以是函数也可以是仿函数

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template <class InputIterator, class Function>
Function for_each(InputIterator first, InputIterator last, Function f)
{
	for (; first != last; ++first) {
		f(*first);
	}
	return f;
}

与C++11中的 range-based for statement 差不多

6.1.3 replace…

  • replace：范围内的所有等于 old_value 的，都被 new_value 取代

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    template <class ForwardIterator, class T>
    void replace(ForwardIterator first, ForwardIterator last,
    	const T& old_value, const T& new_value)
    {
    	for (; first != last; ++first)
    	{
    		if (*first == old_value) *first = new_value;	
    	}
    }

  • replace_if：范围内所有满足 pred() 为 true 的元素都被 new_value 取代

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    template <class ForwardIterator,class Predicate, class T>
    void replace_if(ForwardIterator first, ForwardIterator last,
    	Predicate pred, const T& new_value)
    {
    	for (; first != last; ++first)
    	{
    		if (pred(*first)) *first = new_value;
    	}
    }

  • replace_copy：范围内的元素全部 copy 到新地方，其中所有等于 old_value 的，都被替代为 new_value

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    template <class InputIterator, class OutputIterator, class T>
    OutputIterator replace_copy(InputIterator first, InputIterator last,
    	OutputIterator result, const T& old_value, const T& new_value)
    {
    	for (; first != last; ++first, ++result)
    	{
    		*result = (*first == old_value) ? new_value : *first;
    	}
    	return result;
    }
6.1.4 count…

  • count：在范围中计数值等于 value 的个数

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    template <class InputIterator, class T>
    typename iterator_traits<InputIterator>::difference_type // 返回类型
    count (InputIterator first, InputIterator last, const T& value)
    {
    	typename iterator_traits<InputIterator>::difference_type n = 0;
    	for (; first != last; ++first)
    	{
    		if (*first == value) ++n;
    	}
    	return n;
    }

  • count_if：在范围中计数满足条件 pred() 的个数

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    template <class InputIterator, class Predicate>
    typename iterator_traits<InputIterator>::difference_type // 返回类型
    count_if (InputIterator first, InputIterator last, Predicate pred)
    {
    	typename iterator_traits<InputIterator>::difference_type n = 0;
    	for (; first != last; ++first)
    	{
    		if (pred(*first)) ++n;
    	}
    	return n;
    }
  • 容器不带成员函数 count()：array，vector，forward_list，deque
  • 容器自带成员函数 count()：set / multiset，map / multimap，unordered_set / unordered_multiset，unordered_map / unorderd_multimap —— 所有关联式容器
6.1 5 find…

  • find：在范围内找到值等于 value 的元素

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    template <class InputIterator, class T>
    InputIterator find(InputIterator first, InputIterator last, const T& value)
    {
    	while (first != last && *first != value) ++first;
    	return first;
    }

  • find_if：在范围内找到满足 pred() 的元素

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    template <class InputIterator, class Predicate>
    InputIterator find_if(InputIterator first, InputIterator last, Predicate pred)
    {
    	while (first != last && !pred(*first)) ++first;
    	return first;
    }

都是循序查找，效率低

  • 容器不带成员函数 find()：array，vector，forward_list，deque
  • 容器自带成员函数 find()：set / multiset，map / multimap，unordered_set / unordered_multiset，unordered_map / unorderd_multimap —— 所有关联式容器
6.1.6 sort

源码复杂

测试：

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// 函数
bool myfunc (int i,int j) { return (i<j); }

//仿函数
struct myclass {
  bool operator() (int i,int j) { return (i<j);}
} myobj;

// 定义向量
int myints[] = {32,71,12,45,26,80,53,33};
vector<int> myvec(myints, myints+8);          // 32 71 12 45 26 80 53 33

// 用默认的比较(operator <)
sort(myvec.begin(), myvec.begin()+4);         //(12 32 45 71)26 80 53 33

// 用自己的函数作比较
sort(myvec.begin()+4, myvec.end(), myfunc); 	// 12 32 45 71(26 33 53 80)

// 用自己的仿函数作比较
sort(myvec.begin(), myvec.end(), myobj);      //(12 26 32 33 45 53 71 80)


// 用反向迭代器 reverse iterator 和默认的比较(operator <)
sort(myvec.rbegin(), myvec.rend());           // 80 71 53 45 33 32 26 12

// 用显式默认比较(operator <)
sort(myvec.begin(), myvec.end(), less<int>()); // 12 26 32 33 45 53 71 80   

// 使用另一个比较标准(operator >)
sort(myvec.begin(), myvec.end(), greater<int>()); // 80 71 53 45 33 32 26 12
  • 容器不带成员函数 sort()：array，vector，deque，所有关联式容器（本身就排好序了）
  • 容器自带成员函数 sort()：list，forward_list（只能用自带）

reverse iterator：

其中用的是 reverse_iterator —— iterator adapter

二分查找是否存在目标元素（并不给予位置），使用前必须先排序；其主要使用 lower_bound() 来找到能放入 val 的最低位置，再判断该元素是否存在

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template <class ForwardIterator, class T>
bool binary_search(ForwardIterator first, ForwardIterator last, const T& value)
{
	first = lower_bound(first, last, value);
	return (first != last && !(value < *first));
    // first == last 就是序列中所有元素都小于value
    // first == last 时，*first是没有值的，所以需要先检查
    // value < *first 就是序列中没有等于value的
    
}

lower_bound()：用于在有序序列中查找==第一个大于等于==该值的元素（包括目标值本身），并返回一个指向该位置的迭代器

  • 如果目标值在序列中多次出现，返回第一个出现的位置
  • 如果目标值在序列中不存在，它将返回指向比目标值大的第一个元素位置，或者返回 last

upper_bound()：用于在有序序列中查找==第一个大于==该值的元素（不包括目标值本身），并返回一个指向该位置的迭代器

  • 如果目标值在序列中多次出现，返回第一个大于目标值的位置
  • 如果目标值在序列中不存在，它将返回与 lower_bound() 一样的位置

一样是前闭后开的原则，且他们都用的是二分查找的方法

7 仿函数

仿函数专门为算法服务，设计成一个函数/仿函数是为了能传入算法

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STL中的每个仿函数都继承了 binary_function / unary_function—— 融入到STL中

STL规定每个 Adaptable Function（之后可以改造的函数）都应该继承其中一个（因为之后 Function Adapter 将会提问）

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// 一个操作数的操作，例如“!”
template <class Arg, class Result>
struct unary_function
{
	typedef Arg argument_type;
	typedef Result result_type;
};

// 两个操作数的操作，例如“+”
template <class Arg1, class Arg2, class Result>
struct binary_function
{
	typedef Arg1 first_argument_type;
	typedef Arg2 second_argument_type;
	typedef Result result_type;
};

// 理论大小都是0，实际上可能是1（如果有人继承，那就一定是0）

仿函数是我们自己可能会写的，所以自己写的时候，如果想要融入STL，就要继承上面的两个之一

8 适配器

  • 适配器 Adapter 只是一个小变化，比如改个接口，函数名称等等
  • 其出现在三个地方：仿函数适配器，迭代器适配器，容器适配器
  • 可以使用继承 / 复合的两种方式实现，STL中都用复合

其思想就是将该记的东西记起来，然后看要怎么样去改造它，以便日后使用

8.1 容器适配器

stack，queue 都是属于 deque 的 Adapter

比如 stack 中将 deque 的 push_back 改名为 push

8.2 函数适配器

8.2.1 binder2nd

binder2nd —— 绑定第二参数

这个例子的OP就是less<int>

1.先是传给bind2nd函数

2.bind2nd生成binder2nd对象

3.对象里面记录op是less<int>，第二参数是40

4.然后都搞定以后返回一个函数对象op（其实返回的是op调用小括号重载运算符，这是一个函数对象）给到count_if作为第三参数，然后继续执行程序

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// 数范围内所有小于40的元素个数
cout << count_if(vi.begin(), vi.end(), 
                 bind2nd(less<int>(), 40));

// 辅助函数bind2nd，使用方便
// 编译器自动推动op的类型（函数模板）
template <class Operation, class T>
inline binder2nd<Operation> bind2nd(const Operation& op, const T& x)
{
	typedef typename Operation::second_argument_type arg2_type;
	// 调用ctor生成一个binder2nd临时对象并返回
	return binder2nd<Operation>(op, arg2_type(x)); 
}


// binder2nd适配器：将二元函数对象转换为一元函数对象
template <class Operation>
class binder2nd 
	: public unary_function<typename Operation::first_argument_type,
	                        typename Operation::result_type>
// 可能binder2nd也要被改造，要回答问题
{
protected:
	Operation op; // 内部成员，记录op和第二实参
	typename Operation::second_argument_type value;
public:
	binder2nd(const Operation& x, 
			  const typename Operation::second_argument_type& y)
		: op(x), value(y) {} // ctor，将op和第二实参记录下来
	typename Operation::result_type
		operator()(const typename Operation::first_argument_type& x) const
	{
		return op(x, value); // 实际调用op，第二实参为value
	}
};

当然还有：binder1st —— 绑定第二参数

新型适配器：bind，代替了 bind1st，bind2nd，binder1st，binder2nd

8.2.2 not1

not1 —— 否定

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// 数范围内所有大于等于40的元素个数
cout << count_if(vi.begin(), vi.end(), 
    			not1(bind2nd(less<int>(), 40)));
8.2.3 bind

C++11提供的 Adapter，其可以绑定：

  1. functions
  2. function objects
  3. member functions
  4. data members

测试函数 / 对象

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// functions
double my_divide(double x, double y)
{
	return x/y;
}

// function objects 测试与functions同理
// divides<double> my_divide;

struct MyPair
{
    // data members
	double a, b;
    // member functions
	double multiply()
	{
		return a*b;
	}
};

占位符 placeholders：

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using namespace std::placeholders;

提供了 _1，_2，_3，·······

下面的的 _1 指的是被绑函数中的第一个参数

  • binding functions / function objects 测试

    • 单纯将两个整数 10，2 绑定到 my_divide

      1
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      auto fn_five = bind(my_divide, 10, 2);
      cout << fn_five() << endl; // 5.0

    • 用 _1 占据第一参数，第二参数绑定2，即 x/2

      1
      2
      auto fn_half = bind(my_divide, _1, 2);
      cout << fn_half(10) << endl; // 5.0

    • 用 _1 占据第一参数，_2 占据第二参数，即 y/x

      1
      2
      auto fn_invert = bind(my_divide, _2, _1);
      cout << fn_invert(10, 2) << endl; // 0.2

    • 给 bind 指定了一个模板参数 int，将 my_divide 的返回类型变为 int，即 int(x/y)

      1
      2
      auto fn_rounding = bind<int>(my_divide, _1, _2);
      cout << fn_rounding(10, 3) << endl; // 3

  • binding member functions / data members 测试

    MyPair ten_two {10, 2}; 用C++11的新语法定义一个实例

    当函数是类的成员函数时，直接使用函数名并不能获取其地址（因为成员函数隐含地需要一个类的实例来调用），而是需要使用特定的语法来获取指向成员函数的指针。这时，&的使用就显得尤为重要了。对于普通的全局函数或静态成员函数，直接使用函数名和加&都可以获取其地址。

    • 绑定 member functions，由于成员函数有 this，所以 _1 就相当于 this，即 x.multiply()

      1
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      auto bound_memfn = bind(&MyPair::multiply, _1);
      cout << bound_memfn(ten_two) << endl; // 20

    • 绑定 data members，绑定是谁的数据

      把实例 ten_two 绑定到 a，即 ten_two.a

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      2
      auto bound_memdata = bind(&MyPair::a, ten_two);
      cout << bound_memdata() << endl; // 10

      用占位符绑定，即 x.a

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      auto bound_member_data2 = bind(&MyPair::b, _1);
      cout << bound_member_data2(ten_two) << endl;

8.3 迭代器适配器

8.3.1 reverse_iterator

image-20230922162253063

注意：对逆向迭代器取值，就是取其所指正向迭代器的前一个位置

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template <class Iterator>
class reverse_iterator
{
protected:
	Iterator current;
public:
	// 五个associated types与对应的正向迭代器相同

	typedef Iterator iterator_type; // 代表正向迭代器
	typedef reverse_iterator<Iterator> self; // 代表逆向迭代器
public:
	explicit reverse_iterator(iterator_type x) : current(x) {}
	reverse_iterator(const self& x) : current(x.current) {}

	iterator_type base() const { return current; } // 取出正向迭代器
	
    // 对逆向迭代器取值，就是取其所指正向迭代器的前一个位置
	reference operator*() const 
	{ Iterator tmp = current; return *--tmp; }

	pointer operator->() const { return &(operator*()); } // 同上

	// 前进变后退，后退变前进
	self& operator++()
	{ --current; return *this; }
	self& operator--()
	{ ++current; return *this; }
	self operator+(difference_type n)const
	{ return self(current-n); }
	self operator-(difference_type n)const
	{ return self(current+n); }
};
8.3.2 inserter

对于 copy(InputIterator first, InputIterator last, OutputIterator result)，其会不管 OutputIterator 后是否有充裕空间，对 result 开始依次赋值

但如果使用 inserter，就会有如下用 copy 实现的插入的效果

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list<int> foo, bar;
for (int i = 1; i <= 5; i++)
{
    foo.push_back(i);
    bar.push_back(i*10);
}

list<int>::iterator it = foo.begin();
advance(it, 3);

copy(bar.begin(), bar.end(), inserter(foo, it));

注：其是 output_iterator_tag

其实现原理核心就是 —— 对 = 的操作符重载

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insert_iterator<Container>&
operator=(const typename Container::value_type& val)
{
	// 关键：转调用insert()
	iter = container->insert(iter, val);
	++iter; // 使其一直随target贴身移动
	return *this;
}

8.4 X适配器

8.4.1 ostream_iterator

其会将 copy 变为一个输出工具，分隔符是 ,

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vector<int> vec = { 1,2,3,4,5,6,7,8,9,10 };

ostream_iterator<int> out_it(cout, ",");
copy(vec.begin(), vec.end(), out_it); // 1,2,3,4,5,6,7,8,9,10,

其核心依然是操作符重载，这样就相当于 cout<<*first; cout<<",";

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basic_ostream<charT,traits>* out_stream;
const charT* delim;

...
    
ostream_iterator<T, charT, traits>& operator=(const T& value)
{
	*out_stream << value;
	if(delim!=0) *out_stream << delim; // 分隔符delimiter
	return *this;
}

ostream_iterator<T,charT,traits>& operator*(){return *this;}
ostream_iterator<T,charT,traits>& operator++(){return *this;}

...

其中 out_stream 存的 cout，delim 存的 ,

8.4.2 istream_iterator

例一：

在创建 iit 的时候就已经把所有的键盘输入读进去了，之后就是一个一个取出来赋值给 value 的操作

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double value1, value2;
istream_iterator<double> eos; // end of stream iterator
istream_iterator<double> iit(cin); // 相当于cin>>value
if(iit != eos)
    value1 = *iit; // 相当于return value
iit++; // 迭代器不断++，就是不断地读内容
if(iit != eos)
    value2 = *iit;

例二：

从 cin 读 data，插入到目的容器

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istream_iterator<double> eos; // end of stream iterator
istream_iterator<double> iit(cin);

copy(iit, eos, inserter(c,c.begin()));

原理依旧是大量的**操作符重载 **—— 就可以改变原函数的作用

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basic_istream<charT, traits>* in_stream;
T value;

...
    
istream_iterator():in_stream(0){} // eos
istream_iterator(istream_type& s):in_stream(&s){++*this;} // 进++

istream_iterator<T,charT,traits,Distance>& operator++()
{
    if(in_stream && !(*in_stream >> value)) // 开始读了
        in_stream = 0;
    return *this;
}
const T& operator*() const { return value; }

...

9 STL周围

9.1 万用Hash Function

Hash Function的常规写法：其中 hash_val 就是万用Hash Function

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class CustumerHash
{ 
public:
	size_t operator()(const Customer& c) const
	{ return hash_val(c.fname(), c.lname(), c.no()); }
};

还可以直接用函数实现，或者写一个 hash 的特化版本

原理：

通过三个函数重载实现从给入数据中逐一提取来不断改变 seed

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// 第一个函数 首先进入该函数
template <typename... Types>
inline size_t hash_val(const Type&... args)
{
	size_t seed = 0; // 设置初始seed
	hash_val(seed, args...); // 进入第二个函数
	return seed; // seed就是最后的HashCode
}

// 第二个函数 该函数中逐一提取一个参数
template <typename T, typename... Types>
inline void hash_val(size_t& seed, const T& val, const Types&... args)
{
	hash_combine(seed, val); // 逐一取val，改变seed
	hash_val(seed, args...); // 递归调用自己，直到取完进入第三个函数
}

// 第三个函数
template <typename T>
inline void hash_val(size_t& seed, const T& val)
{
	hash_combine(seed, val); // 取最后一个val，改变seed
}

// 改变seed的函数
template <typename T>
inline void hash_combine(size_t& seed, const T& val)
{
    // 乱七八糟的运算，越乱越好
	seed ^= hash<T>()(val) + 0x9e3779b9 + (seed<<6) + (seed>>2);
}

最后的seed就是hash code

C++11中 variadic templates：

从传入的内容（任意个数，任意元素类型）分为一个和其他，递归再分为一个和其他······

0x9e3779b9：是黄金比例！

C++11及其后续版本并没有为每个类型都自动提供哈希函数，但它确实为一些标准类型提供了std::hash的特化，并且允许开发者为用户定义的类型提供自己的std::hash特化。

9.2 Tuple

可以将一些东西组合在一起

9.2.1 用例

  • 创建 tuple

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    tuple<string, int, int, complex<double>> t; 

    tuple<int, float, string> t1(41, 6.3, "nico"); 

    auto t2 = make_tuple(22, 44, "stacy");

  • 输出 tuple

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    // 输出t1中的第一个
    cout << get<0>(t1) << endl; // 41
    cout << t << endl; // 在VS2022上并没有<<的重载 需要自己写一个重载

  • 运算

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    t1 = t2;

    if(t1 < t2) // 以特定的方式进行的比较 里面的东西拿出来一个一个比
    {
        ...
    }

  • 绑定解包

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    tuple<int, float, string> t3(77, 1.1, "more light");
    int i;
    float f;
    string s;

    tie(i, f, s) = t3; // i == 77, f == 1.1, s == "more light"
  • // tuple里有多少类型
tuple_size< tuple<int, float, string> >::value; // 3

// 取tuple里面的类型，前面一堆代表float
tuple_element<1, TupleType>::type fl = 1.0; // float fl = 1.0;

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    ##### 9.2.2 原理

    依然是使用 *variadic templates*，通过递归继承，不断从 `...` 中提取内容

    ```cpp
    // 空的tuple
    template <> class tuple<> {}; // 直到取完

    // tuple主体
    template <typename Head, typename... Tail>
    class tuple<Head, Tail...>
    	: private tuple<Tail...> // 递归继承
    {
        typedef tuple<Tail...> inherited;
    public:
    	tuple() {}
    	tuple(Head v, Tail... vtail) 
            : m_head(v), inherited(vtail...) {}
    	...
    protected:
    	Head m_head; // 每次取出的元素
    };

image-20230923111219018 👈🏻不断的继承就可以实现不同类型的组合了

其余函数：

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...
{
public:
    ...
	Head head() { return m_head; }
	inherited& tail() { return *this; } // 通过转型获得Tail部分
    ...
};

image-20230923112317405 一般不这么用

出去head的41，剩下的都是tail部分，所以出来的是6.3

9.3 type traits

9.3.1 用例

GCC2.9中：

默认的 __type_traits 进行了一系列泛化的设定（trivial 是不重要的意思）

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 struct __true_type {};
struct __false_type {};

template <class type>
struct __type_traits
{
	typedef __true_type this_dummy_member_must_be_first;
	typedef __false_type has_trivial_default_constructor;
	typedef __false_type has_trivial_copy_constructor;
	typedef __false_type has_trivial_assignment_operator;
	typedef __false_type has_trivial_destructor;
	typedef __false_type is_POD_type; // Plain Old Data 类似C的struct
};

还会通过特化来实现针对不同类型的设定，例

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template <> struct __type_traits<int>
{
	typedef __true_type has_trivial_default_constructor;
	typedef __true_type has_trivial_copy_constructor;
	typedef __true_type has_trivial_assignment_operator;
	typedef __true_type has_trivial_destructor;
	typedef __true_type is_POD_type;
};

C++11中：
有了很多个 type traits，可以回答更多问题

测试：

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cout << is_void<T>::value << endl;
cout << is_integral<T>::value << endl;
cout << is_floating_point<T>::value << endl;
cout << is_array<T>::value << endl;
...

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不论是什么类型都可以自动检测它的 traits，非常厉害！（里面有虚函数——就能自动检测出它有多态性）

9.3.2 原理

模板的作用

例 is_integral

依然是采用的一种问答的方式实现的

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template <typename _Tp>
struct is_integral
	:public __is_intagral_helper<typename remove_cv<_Tp>::type>::type
{ };

首先 remove_cv（const 和 volatile）

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// 通过偏特化实现remove const
template <typename _Tp>
struct remove_const
{ typedef _Tp type };

template <typename _Tp>
struct remove_const<_Tp const>
{ typedef _Tp type };

// remove volatile 同理

再通过 __is_intagral_helper 进行问答

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// 通过偏特化实现
template <typename>
struct __is_integral_helper
	:public false_type { };

template <>
struct __is_integral_helper<bool>
	:public true_type { };

template <>
struct __is_integral_helper<int>
	:public true_type { };

template <>
struct __is_integral_helper<long>
	:public true_type { };

...

其他深入 class 内部的一些 traits 比如是否有虚函数，是否是一个类，是否是POD等等，其实现可能都与编译器有关

9.4 move

moveable class 中有：

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// move ctor
MyString(MyString&& str) noexcept // 用&&与普通版本区别开
    : _data(str._data), _len(str._len)
{
    str._len = 0;
    str._data = NULL; // 避免析构函数释放资源
}

// move assignment
MyString& operator=(MyString&& str) noexcept
{
    if (this != &str)
    {
        _len = str._len;
        _data = str._data;
        str._len = 0;
        str._data = NULL; // 避免析构函数释放资源
    }
    return *this;
}

// dtor
virtual ~MyString()
{
    if(_data) delete _data; // 一定要检查
}

MyString C11(C1); // ctor
MyString C12(move(C1)); // move ctor

image-20230924094317369 是==浅拷贝==，并且把之前的指向去除了

对于 vector 这样的容器，其用 move 就只是 swap 了三根指针，非常快！

move 之后原来的东西不能再使用

拿数据插入容器，用临时对象，编译器看到就会自动使用 move 版本的

MyString C11(C1); 时，创建了一个实例 C11，编译器就不知道是否能用 move，就需要自己 MyString C12(move(C1)); 使用 move，但注意之后==一定不能用原来的 C1==

&&（右值引用）这是C++11引入的特性，右值引用用于处理临时对象或将资源所有权转移给其他对象，以提高性能和资源管理