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C++指南-标准库，数学库，数据结构

news 来源：原创 2025/5/1 9:30:55

C++标准库概览

C++标准库是C++语言的组成部分，提供了大量的工具和函数，以支持各种编程任务。

输入输出流

输入输出流类

std::iostream：基础输入输出流类。
std::istream：处理输入流的抽象类。
std::ostream：处理输出流的抽象类。
std::cin：标准输入流（关联键盘）。
std::cout：标准输出流（关联屏幕）。
std::cerr：用于输出错误信息的标准输出流。
使用方法

#include <iostream>

int main() {
    std::cout << "Enter an integer: ";
    int num;
    std::cin >> num;
    std::cout << "You entered: " << num << std::endl;
    return 0;
}

在C++中，std::iostream、std::istream 和 std::ostream 是处理输入和输出流的基类。虽然 std::iostream 可以处理输入和输出，但它通常是作为 std::cin 和 std::cout 的基础类存在。对于文件输入输出，我们通常使用 std::ifstream 和 std::ofstream，它们分别继承自 std::istream 和 std::ostream。

以下是使用 std::ifstream 读取文件的基本用法：

包含头文件

#include <iostream>
#include <fstream>

创建 std::ifstream 对象

std::ifstream file("example.txt"); // 尝试打开 example.txt 文件

检查文件是否成功打开

if (!file) {
    std::cerr << "Unable to open file!" << std::endl;
    return 1; // 或者其他错误处理
}

读取文件内容

std::string line;
while (getline(file, line)) { // 使用 getline 读取每行
    std::cout << line << std::endl;
}

使用输入流操作符

int num;
file >> num; // 从文件中读取一个整数

关闭文件
虽然 std::ifstream 的析构函数会自动关闭文件，但最好显式关闭文件以释放资源：

file.close();

完整示例

#include <iostream>
#include <fstream>
#include <string>

int main() {
    std::ifstream file("example.txt");

    if (!file) {
        std::cerr << "Unable to open file!" << std::endl;
        return 1;
    }

    std::string line;
    while (getline(file, line)) {
        std::cout << line << std::endl;
    }

    // 或者使用流操作符读取数据
    // int num;
    // file >> num;
    // std::cout << "Read number: " << num << std::endl;

    file.close(); // 关闭文件
    return 0;
}

标准数学库

C++ 的标准数学库提供了大量的数学函数，这些函数定义在（C++17 之前称为 <math.h>）头文件中。以下是一些常用的标准数学函数及其示例。

包含头文件
在使用这些函数之前，需要包含头文件：

#include <iostream>
#include <cmath>

幂函数
pow：求幂。
sqrt：求平方根。

auto result = std::pow(2, 3);    // 2 的 3 次方
std::cout << "Power: " << result << std::endl;

result = std::sqrt(16);          // 16 的平方根
std::cout << "Square root: " << result << std::endl;

三角函数
sin：正弦。
cos：余弦。
tan：正切。

result = std::sin(0);            // 0 弧度的正弦
std::cout << "Sine of 0: " << result << std::endl;

result = std::cos(std::acos(-1)); // 余弦的反函数，求 -1 的余弦值
std::cout << "Cosine of arccos(-1): " << result << std::endl;

result = std::tan(1);            // 1 弧度的正切
std::cout << "Tangent of 1: " << result << std::endl;

对数和指数函数
log：自然对数。
log10：以 10 为底的对数。
exp：指数函数 e 的幂。

result = std::log(1.0);          // 1 的自然对数
std::cout << "Natural logarithm of 1: " << result << std::endl;

result = std::log10(100);        // 100 的以 10 为底的对数
std::cout << "Logarithm base 10 of 100: " << result << std::endl;

result = std::exp(1);            // e 的 1 次方
std::cout << "e to the power of 1: " << result << std::endl;

绝对值和取整
abs：绝对值。
round：四舍五入。

result = std::abs(-5);           // -5 的绝对值
std::cout << "Absolute value: " << result << std::endl;

result = std::round(2.5);        // 2.5 四舍五入
std::cout << "Rounded value: " << result << std::endl;

浮点数函数
floor：向下取整。
ceil：向上取整。

result = std::floor(3.7);       // 3.7 向下取整
std::cout << "Floor value: " << result << std::endl;

result = std::ceil(3.3);        // 3.3 向上取整
std::cout << "Ceil value: " << result << std::endl;

特殊函数
fmod：求余函数。
modf：分解浮点数为整数部分和小数部分。

double remainder;
result = std::fmod(5.7, 3);     // 5.7 除以 3 的余数
std::cout << "Fmod remainder: " << result << std::endl;

double intpart;
modf(56.78, &intpart);          // 56.78 分解为整数部分和小数部分
std::cout << "Modf integer part: " << intpart << std::endl;

随机数
rand：生成随机数。
srand：设置随机数种子。

std::srand(0);                   // 设置随机数种子
result = std::rand();            // 生成随机数
std::cout << "Random number: " << result << std::endl;

请注意，std::rand() 生成的随机数质量有限，对于更高质量的随机数生成，可以考虑使用库中提供的随机数生成器。

数据结构

序列式容器
std::vector：动态大小数组，提供快速随机访问。
std::deque：双端队列，提供快速两端插入和删除。
std::list：双向链表，提供快速插入和删除。
std::forward_list：单向链表，提供快速插入和删除。
关联容器
std::map：基于红黑树实现的键值对映射，保持键的排序。
std::set：基于红黑树实现的元素集合，保持元素唯一性。
std::multimap：允许多个元素与同一键关联的映射。
std::multiset：允许多个相同元素的集合。
无序容器（C++11 新增）
std::unordered_map：基于哈希表的键值对映射。
std::unordered_set：基于哈希表的元素集合。
std::unordered_multimap：允许多个元素与同一键关联的无序映射。
std::unordered_multiset：允许多个相同元素的无序集合。
容器适配器
std::stack：后进先出（LIFO）的栈。
std::queue：先进先出（FIFO）的队列。
std::priority_queue：优先队列，元素按优先级排序。
示例代码

#include <iostream>
#include <vector>
#include <map>
#include <set>

int main() {
    // 使用 vector
    std::vector<int> vec = {1, 2, 3, 4, 5};
    vec.push_back(6); // 添加元素
    std::cout << "Vector contains: ";
    for (int num : vec) {
        std::cout << num << ' ';
    }
    std::cout << std::endl;

    // 使用 map
    std::map<std::string, int> myMap;
    myMap["apple"] = 1;
    myMap["banana"] = 2;
    std::cout << "Map contains: ";
    for (const auto& pair : myMap) {
        std::cout << pair.first << " => " << pair.second << ' ';
    }
    std::cout << std::endl;

    // 使用 set
    std::set<int> mySet = {1, 2, 3, 4, 5};
    mySet.insert(6); // 添加元素
    std::cout << "Set contains: ";
    for (int num : mySet) {
        std::cout << num << ' ';
    }
    std::cout << std::endl;

    return 0;
}