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（C++）标准模板库（STL）相关介绍（C++教程）

news 来源：原创 2025/6/25 7:21:15

C++ 中类似 string 的重要知识点（STL 容器详解）

在 C++ 中，类似 string 的容器类都是标准模板库（STL）的一部分，它们提供了更高级的数据抽象和更安全的内存管理。以下是几个最常用的 STL 容器，我将逐一详细介绍：

1. vector（动态数组）

基本特性

作用：替代 C 语言中的数组，提供动态大小调整
头文件：#include <vector>
内存管理：自动处理内存分配和释放

基本用法

#include <iostream>
#include <vector>
using namespace std;int main() {// 创建 vectorvector<int> numbers;// 添加元素numbers.push_back(10);numbers.push_back(20);numbers.push_back(30);// 访问元素cout << "第一个元素: " << numbers[0] << endl;  // 10cout << "最后一个元素: " << numbers.back() << endl; // 30// 遍历元素cout << "所有元素: ";for (int num : numbers) {cout << num << " ";}// 输出: 10 20 30// 删除元素numbers.pop_back(); // 删除最后一个元素// 大小操作cout << "\n当前大小: " << numbers.size() << endl; // 2numbers.resize(5); // 调整大小为5cout << "调整后大小: " << numbers.size() << endl; // 5return 0;
}

与 C 数组对比

特性	C 数组	vector
大小固定	是	否（动态调整）
内存管理	手动	自动
越界检查	无	有（使用 at()）
功能扩展	无	丰富的方法

实际应用场景

存储动态数量的数据（如用户输入）
需要频繁在尾部添加/删除元素的场景
需要随机访问元素的集合

2. map（关联容器）

基本特性

作用：键值对存储，类似 Python 的字典
头文件：#include <map>
特性：按键自动排序（基于红黑树）

基本用法

#include <iostream>
#include <map>
#include <string>
using namespace std;int main() {// 创建 mapmap<string, int> studentScores;// 添加键值对studentScores["Alice"] = 95;studentScores["Bob"] = 87;studentScores["Charlie"] = 92;// 访问元素cout << "Alice 的分数: " << studentScores["Alice"] << endl;// 遍历元素cout << "所有学生分数:\n";for (const auto& pair : studentScores) {cout << pair.first << ": " << pair.second << endl;}// 查找元素if (studentScores.find("David") == studentScores.end()) {cout << "David 不在记录中" << endl;}// 删除元素studentScores.erase("Bob");return 0;
}

与 C 结构体数组对比

特性	C 结构体数组	map
查找效率	O(n)	O(log n)
自动排序	否	是
键唯一性	手动保证	自动保证
动态扩展	复杂	简单

实际应用场景

字典/词典实现
配置参数存储
缓存系统实现
需要按键快速查找的场景

3. list（双向链表）

基本特性

作用：高效的插入和删除操作
头文件：#include <list>
特性：双向链表结构，不支持随机访问

基本用法

#include <iostream>
#include <list>
using namespace std;int main() {list<int> numbers = {10, 20, 30};// 在开头添加元素numbers.push_front(5);// 在末尾添加元素numbers.push_back(40);// 在中间插入元素auto it = numbers.begin();advance(it, 2); // 移动到第三个位置numbers.insert(it, 25);// 遍历元素cout << "链表内容: ";for (int num : numbers) {cout << num << " "; // 5 10 25 20 30 40}// 删除元素numbers.remove(20); // 删除所有值为20的元素// 排序numbers.sort();return 0;
}

与 C 链表对比

特性	C 链表	list
内存管理	手动	自动
类型安全	弱	强
内置算法	无	丰富（sort, merge等）
迭代器支持	手动	强大

实际应用场景

需要频繁在任意位置插入/删除元素的场景
实现队列和栈
需要稳定排序的情况

4. set（集合）

基本特性

作用：存储唯一元素，自动排序
头文件：#include <set>
特性：元素自动排序且唯一

基本用法

#include <iostream>
#include <set>
using namespace std;int main() {set<int> uniqueNumbers;// 添加元素uniqueNumbers.insert(30);uniqueNumbers.insert(10);uniqueNumbers.insert(20);uniqueNumbers.insert(10); // 重复元素不会被添加// 遍历元素cout << "集合内容: ";for (int num : uniqueNumbers) {cout << num << " "; // 10 20 30}// 检查存在性if (uniqueNumbers.find(20) != uniqueNumbers.end()) {cout << "\n20 在集合中";}// 删除元素uniqueNumbers.erase(10);return 0;
}

实际应用场景

去重操作
数学集合运算（并集、交集等）
需要自动排序的独特元素集合

5. stack 和 queue（适配器容器）

基本特性

作用：提供特定数据结构接口
头文件：#include <stack> 或 #include <queue>
底层实现：基于 deque 或 list

stack 用法

#include <iostream>
#include <stack>
using namespace std;int main() {stack<int> numStack;// 压栈numStack.push(10);numStack.push(20);numStack.push(30);// 访问栈顶cout << "栈顶元素: " << numStack.top() << endl; // 30// 出栈numStack.pop();// 检查是否为空if (!numStack.empty()) {cout << "新栈顶: " << numStack.top() << endl; // 20}return 0;
}

queue 用法

#include <iostream>
#include <queue>
using namespace std;int main() {queue<string> nameQueue;// 入队nameQueue.push("Alice");nameQueue.push("Bob");nameQueue.push("Charlie");// 访问队首cout << "队首: " << nameQueue.front() << endl; // Alice// 出队nameQueue.pop();// 访问新队首cout << "新队首: " << nameQueue.front() << endl; // Bobreturn 0;
}

实际应用场景

stack：函数调用栈、表达式求值、撤销操作
queue：任务调度、消息队列、BFS 算法

6. pair 和 tuple（复合类型）

pair 基本用法

#include <iostream>
#include <utility> // 包含 pair
using namespace std;int main() {// 创建 pairpair<string, int> person("Alice", 30);// 访问元素cout << "姓名: " << person.first << endl;cout << "年龄: " << person.second << endl;// 创建 pair 的其他方式auto student = make_pair("Bob", 85.5);return 0;
}

tuple 基本用法

#include <iostream>
#include <tuple>
using namespace std;int main() {// 创建 tupletuple<string, int, double> employee("Charlie", 25, 75000.50);// 访问元素cout << "姓名: " << get<0>(employee) << endl;cout << "年龄: " << get<1>(employee) << endl;cout << "薪资: " << get<2>(employee) << endl;// 结构化绑定 (C++17)auto [name, age, salary] = employee;cout << name << " 的年龄是 " << age << "，薪资是 " << salary << endl;return 0;
}

通用特性（所有 STL 容器共享）

自动内存管理

vector<int> nums;
nums.push_back(10); // 自动分配内存
// 不需要手动释放，离开作用域自动销毁

迭代器支持

vector<int> numbers = {1, 2, 3, 4, 5};// 使用迭代器遍历
for (auto it = numbers.begin(); it != numbers.end(); ++it) {cout << *it << " ";
}

算法支持

#include <algorithm>vector<int> nums = {5, 3, 1, 4, 2};// 排序
sort(nums.begin(), nums.end());// 查找
auto pos = find(nums.begin(), nums.end(), 3);
if (pos != nums.end()) {cout << "找到3，位置: " << distance(nums.begin(), pos);
}

类型安全

vector<string> names;
names.push_back("Alice");
// names.push_back(123); // 编译错误，类型不匹配

学习建议

学习路径：
练习项目：
- 使用 vector 实现学生成绩管理系统
- 使用 map 实现单词计数器
- 使用 stack 实现表达式计算器
- 使用 queue 实现简单消息队列
调试技巧：
- 使用范围 for 循环简化遍历
- 使用 size() 而不是 C 的 sizeof
- 利用 IDE 的容器可视化工具（VS、CLion）
性能考虑：
- 小数据：vector 通常最快
- 频繁插入/删除中间：list
- 键值查找：unordered_map (哈希表) 通常最快